SPSKS SLOVO ÚVODEM. Marek Novotný předseda představenstva

SPSKS

-1-

SLOVO ÚVODEM Vážené kolegyně, vážení kolegové! Pomineme-li požadavky legislativy, kde vyhláška č. 298/2005 Sb. ve znění pozdějších předpisů vyžaduje u technického dozoru pro vedení důlních a podzemních děl odbornou kvalifikaci, je celoživotní vzdělání za všech okolností důležitou investicí do zaměstnanců. U naší společnosti se to týká především vedoucích provozoven, mistrů a techniků. Lidé jsou hlavním bohatstvím každé firmy a měli by vždy stát v centru jejího zájmu. I po formálním ukončení střední či vysoké školy je velmi důležité, aby byli zaměstnanci v kontaktu s novinkami ve svém oboru. Vzdělání je v současnosti artiklem, který rychle zastarává, hovoří se dokonce o tzv. poločasu rozpadu vzdělání, tedy době, za kterou vzdělání nebo informace ztrácí svoji hodnotu. Jsem velmi rád, že se ve spolupráci mezi MŠMT, společností Českomoravský štěrk, a.s. a Střední průmyslovou školou kamenickou a sochařskou v Hořicích podařilo vytvořit výukový program ušitý na tělo pro naše zaměstnance. Jsem přesvědčený, že ucelené vzdělání, které zde naši zaměstnanci získají, jim poskytne potřebný vhled do problematiky a obohatí je nejen profesně, ale i občansky, protože celoživotní vzdělávání je, mimo jiné, i základním nástrojem rozvoje občanství a sociální soudržnosti. Přeji všem studentům hodně entuziasmu, vytrvalosti a radosti z nově nabytých poznatků.

Marek Novotný předseda představenstva

SPSKS

Slovo úvodem pro hornické činnosti a činnosti vykonávané hornickým způsobem bude možné v modifikované podobě přečíst u šestnácti odborných učebnic. Nejvýznamnějším počinem pro jejich vznik je aktivita progresivních firem v České republice. Dominantní jsou skupina MND a Českomoravský štěrk, a.s. Některé učebnice budou obecnější a budou odborně pokrývat dva směry vzdělání: Těžbu a zpracování ropy a zemního plynu a Těžbu a zpracování kamene. Jiné budou sloužit pro užší specializaci. Vedle učebnic, které jsou know how školy projekt zahrnuje primárně kompletní kurikulární reformu, tedy koncepci rámcového vzdělávacího programu a navazujících školních vzdělávacích programů. Spuštění celého projektu se prostě nevejde do zaběhnutých mechanizmů vzdělávací soustavy. Proto jak vlastní výuka, tak její formy, metody a především publikační činnost probíhá v režimu pokusného ověřování, které monitoruje ministerstvo školství. Odvaha silných firem investovat do vzdělání u statisticky vzácných oborů v celé jeho šíři nemá v ČR obdoby. Pro školu samotnou je to historicky nejvýznamnější společenská zakázka a příležitost být nositelem významných inovací v prostoru sekundárního vzdělávání. Josef Moravec ředitel školy

-2-

PŘEDMLUVA Učebnice „Stavba a provoz strojů“ má sloužit k zavedenému předmětu „Stavba a provoz strojů“, jehož obsahová náplň je obsažena v rámcovém vzdělávacím programu „Geotechnika“ a navazujících školních vzdělávacích programech „Těžba a zpracování ropy a zemního plynu“ a „Těžba a zpracování kamene“. Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že po útlumu tradičních hornických oborů po roce 1990 dochází k jejich novému oživení a s tím souvisí poptávka po kvalifikovaných pracovnících nejrůznějších hornických oborů a činností prováděných hornickým způsobem a představuje velmi důležitou kompetenci u stupně vzdělání - střední s maturitou. Pro studium modernizovaných hornických oborů na středních školách však nejsou k dispozici vhodné učebnice, které by vyhovovaly obsahem i grafickým zpracováním současným požadavkům. V souvislosti s harmonizací českých technických norem s evropskými učebnice rychle zastarávají. Cílem předmětu „Stavba a provoz strojů“ je seznámení studentů se základy strojírenství včetně aplikací mezinárodních norem ISO a EN. Probráním funkce a použití základních strojních součástí, které se vyskytují ve strojích a zařízeních, mechanizmů, z nichž zejména tekutinové mají vysoké využití v řídící, regulační a automatizační technice, jsou poskytnuty studentům základní informace o konstrukci, vlastnostech a poznatcích pro použití strojních prvků. Obsahově pojednává o hydraulických mechanizmech, pneumatických mechanizmech i o mechanických převodech. V neposlední řadě má předmět za úkol popsat funkci a údržbu v jednotlivých strojních součástí, mechanizmů a převodů. Obsah knihy je rozdělen do15 ti kapitol. Je upraven v souladu s českými technickými normami a českými předpisy v oblasti bezpečnosti práce. Kniha je dále v textu doplněna mnoha odkazy na ČSN. Každá kapitola na konci je doplněna otázkami pro samostudium. Publikace obsahuje mnoho nákresů, diagramů i barevných obrázků, které činí knihu velmi názornou a snadno pochopitelnou i pro zájemce z jiných technických oborů.

SPSKS

Pavol Ondrejkovič autor

-3-

OBSAH 1.

SPOJE A SPOJOVÁNÍ............................................................................................................................... 8 1.1 1.2 1.3 1.4

2.

SILOVÉ (TŘECÍ) SPOJE .................................................................................................................... 8 TVAROVÉ SPOJE ............................................................................................................................ 10 PŘEDEPJATÉ TVAROVÉ SPOJE ................................................................................................... 11 SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM .......................................................................................... 11

DRUHY MECHANICKÝCH SPOJENÍ ................................................................................................. 12 2.1 ŠROUBOVÉ SPOJE.......................................................................................................................... 12 2.1.1 ŠROUBOVÉ SPOJE A JEJICH ČÁSTI ............................................................................................ 12 2.1.2 LÍCOVÁNÍ ZÁVITŮ ........................................................................................................................ 13 2.1.3 ZOBRAZOVÁNÍ A KÓTOVÁNÍ ZÁVITŮ ..................................................................................... 16 2.1.4 DRUHY ŠROUBOVÝCH SPOJŮ .................................................................................................... 17 2.1.5 TVARY MATIC A PODLOŽEK ...................................................................................................... 22 2.1.6 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÝCH SPOJŮ ......................................................................................... 23 2.1.7 SILOVÉ POMĚRY NA ŠROUBU.................................................................................................... 24 2.1.8 PŘÍČINY PORUCH ŠROUBOVÝCH SPOJŮ A JEJICH ODSTRAŇOVÁNÍ................................ 27 2.1.9 ŠROUBOVÁ POLE........................................................................................................................... 28 2.1.10 POHYBOVÉ ŠROUBY ................................................................................................................ 29 2.1.11 ŠROUBOVÝ MECHANIZMUS S VALIVÝMI TĚLÍSKY – KULIČKOVÝ ŠROUB............... 30 2.2 SPOJE KOLÍKY A ČEPY ................................................................................................................. 31 2.2.1 SPOJE KOLÍKOVÉ........................................................................................................................... 31 2.3 SPOJE ČEPOVÉ................................................................................................................................ 40 2.3.1 DRUHY A OZNAČOVÁNÍ SPOJOVACÍCH ČEPŮ ....................................................................... 40 2.3.2 VÝPOČET ČEPŮ.............................................................................................................................. 42 2.4 ZÁVLAČKY...................................................................................................................................... 48 2.5 POJISTNÉ A STAVĚCÍ KROUŽKY................................................................................................ 49 2.6 SPOJE HŘÍDELE S NÁBOJEM ....................................................................................................... 49 2.6.1 FUNKCE HŘÍDELŮ ......................................................................................................................... 49 2.6.2 TVARY A KONSTRUKCE HŘÍDELŮ............................................................................................ 50 2.6.2.1 HLADKÉ HŘÍDELE................................................................................................................ 50 2.6.2.2 OSAZENÉ HŘÍDELE.............................................................................................................. 50 2.6.2.3 DUTÉ HŘÍDELE ..................................................................................................................... 51 2.6.2.4 OHYBNÉ HŘÍDELE ............................................................................................................... 53 2.6.3 MATERIÁLY JEJICH MECHANICKÉ VLASTNOSTI.................................................................. 53 2.6.4 DIMENZOVÁNÍ HŘÍDELŮ............................................................................................................. 55 2.6.4.1 NOSNÉ HŘÍDELE................................................................................................................... 55 2.6.4.2 HYBNÉ HŘÍDELE .................................................................................................................. 55 2.6.5 KONTROLA STATICKÉ BEZPEČNOSTI ...................................................................................... 56 2.7 NÁBOJE ............................................................................................................................................ 58 2.8 SPOJE HŘÍDEL – NÁBOJ................................................................................................................ 59 2.8.1 TVAROVÁ SPOJENÍ........................................................................................................................ 59 2.8.4.1 KLÍNY A PERA....................................................................................................................... 60 2.8.4.2 SPOJ DRÁŽKOVÝM HŘÍDELEM......................................................................................... 70 2.8.5 PŘEDEPJATÉ SPOJE S TVAROVÝM STYKEM........................................................................... 86 2.8.5.1 SPOJE S PODÉLNÝMI KLÍNY.............................................................................................. 87 2.8.6 SPOJE SE SILOVÝM STYKEM – SVĚRNÉ SPOJE ...................................................................... 88 4.1.3.1 SVĚRNÉ SPOJE ŠROUBEM .................................................................................................. 88 4.1.3.2 SVĚRNÝ SPOJ S KUŽELEM ................................................................................................. 89 4.1.3.3 SPOJE ROZPÍNACÍMI KROUŽKY ....................................................................................... 91 4.1.3.4 TLAKOVÉ SPOJE................................................................................................................... 92 2.9 ZÁPADKOVÉ SPOJE ....................................................................................................................... 95

SPSKS

3.

NÝTOVÉ SPOJE....................................................................................................................................... 96 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

PRINCIP A POUŽITÍ........................................................................................................................ 96 TVARY NÝTŮ.................................................................................................................................. 96 MATERIÁLY NÝTŮ ........................................................................................................................ 96 TECHNOLOGIE NÝTOVÁNÍ ......................................................................................................... 97 ROZDĚLENÍ NÝTOVÝCH SPOJŮ ................................................................................................. 98

-4-

3.6 3.7 4.

SPECIÁLNÍ ZPŮSOBY NÝTOVÁNÍ .............................................................................................. 99 VÝPOČET NÝTOVÝCH SPOJŮ ..................................................................................................... 99

SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM.............................................................................................. 103 4.1 SVAROVÉ SPOJE .......................................................................................................................... 103 8.2.1 SVAŘOVÁNÍ PLAMENEM........................................................................................................... 103 8.2.2 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM................................................................. 106 8.2.3 SVAŘOVÁNÍ PAPRSKEM ............................................................................................................ 110 4.1.3.1 SVAŘOVÁNÍ LASEROVÝM PAPRSKEM......................................................................... 110 4.1.3.2 SVAŘOVÁNÍ ELEKTRONOVÝM PAPRSKEM ................................................................ 111 8.2.4 TLAKOVÉ SVAŘOVÁNÍ .............................................................................................................. 111 4.1.4.1 ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ .................................................................................................. 111 4.1.4.2 TŘECÍ (FRIKČNÍ SVAŘOVÁNÍ)......................................................................................... 112 4.1.4.3 ALUMINOTERMICKÉ SVAŘOVÁNÍ ................................................................................ 112 4.1.4.4 INDUKČNÍ SVAŘOVÁNÍ .................................................................................................... 112 4.1.4.5 SVAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKEM ......................................................................................... 112 4.2 LEPENÍ............................................................................................................................................ 112 4.3 PÁJENÍ ............................................................................................................................................ 115 8.2.5 ZÁKLADY PÁJENÍ ........................................................................................................................ 115 8.2.6 DRUHY A ZPŮSOBY PÁJENÍ ...................................................................................................... 117 8.2.7 PŘÍKLAD PÁJENÍ .......................................................................................................................... 121

5.

PRUŽINY A PRUŽNÁ SPOJENÍ.......................................................................................................... 127 5.1 VELIČINY PRUŽIN ....................................................................................................................... 127 5.1.1 CHARAKTERISTIKY PRUŽIN..................................................................................................... 127 5.1.2 ENERGIE A ÚČINNOST PRUŽINY ............................................................................................. 127 5.1.3 MATERIÁLY PRUŽIN................................................................................................................... 127 5.2 KOVOVÉ PRUŽINY ...................................................................................................................... 128 5.2.1 DRUHY PRUŽIN, CHARAKTERISTIKA..................................................................................... 128 5.2.2 ZÁSADY NÁVRHU PRUŽIN ........................................................................................................ 130 5.2.2.1 POSTUP VÝPOČTU KOVOVÝCH PRUŽIN: ..................................................................... 131

6.

SPSKS

PRUŽINY NAMÁHANÉ TAHEM A TLAKEM.................................................................................. 137 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

KROUŽKOVÁ PRUŽINA .............................................................................................................. 137 TALÍŘOVÁ PRUŽINA................................................................................................................... 137 PRYŽOVÉ PRUŽINY ..................................................................................................................... 138 TEKUTINOVÉ PRUŽINY.............................................................................................................. 138 PARALELNÍ USPOŘÁDANÍ PRUŽIN ......................................................................................... 138

7.

DRUHY ZVLÁŠTNÍCH SPOJŮ............................................................................................................ 140

8.

ULOŽENÍ................................................................................................................................................. 140 8.1 LOŽISKA – ROZDĚLENÍ LOŽISEK............................................................................................. 140 8.1.2 ROZDĚLENÍ LOŽISEK.................................................................................................................. 141 14.2.1.1 KLUZNÁ LOŽISKA.............................................................................................................. 141 14.2.1.2 VALIVÁ LOŽISKA............................................................................................................... 149 14.2.1.3 MAGNETICKÁ LOŽISKA ................................................................................................... 159

9.

KLUZNÁ A VALIVÁ VEDENÍ ............................................................................................................. 160 9.1 9.2 9.3

10.

TVARY VEDENÍ ............................................................................................................................ 161 OTEVŘENÁ A UZAVŘENÁ VEDENÍ.......................................................................................... 161 VALIVÁ A KLUZNÁ VEDENÍ ..................................................................................................... 162 TĚSNĚNÍ............................................................................................................................................. 164

10.1 10.2 11.2.1 11.

FUNKCE TĚSNĚNÍ ........................................................................................................................ 164 DRUHY TĚSNĚNÍ.......................................................................................................................... 165 STATICKÁ TĚSNĚNÍ ............................................................................................................... 165

SPOJKY .............................................................................................................................................. 167

11.1 11.1.1

PEVNÉ SPOJKY ............................................................................................................................. 168 TUHÉ SPOJKY .......................................................................................................................... 168

-5-

11.1.2 11.1.3 11.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.

HŘÍDELOVÉ BRZDY ....................................................................................................................... 174

12.1 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.4.4 13.4.5 13.4.6 13.4.7 13.4.8 13.

MECHANICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY......................................................................................... 174 ČELISŤOVÉ BRZDY................................................................................................................. 174 ŠPALÍKOVÉ BRZDY ................................................................................................................ 175 PÁSOVÉ BRZDY....................................................................................................................... 175 KUŽELOVÉ BRZDY ................................................................................................................. 176 KOTOUČOVÉ BRZDY ............................................................................................................. 177 LAMELOVÉ BRZDY ................................................................................................................ 178 HYDRODYNAMICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY ........................................................................ 178 ELEKTRICKÉ BRZDY.............................................................................................................. 178

VEDENÍ TEKUTINY......................................................................................................................... 179

13.1 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.2.4 13.3 13.4 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4 14.1.5 14.1.6 14.1.7 14.

TORZNĚ TUHÉ SPOJKY.......................................................................................................... 168 PRUŽNÉ SPOJKY...................................................................................................................... 170 POHYBLIVÉ SPOJKY ................................................................................................................... 171 VÝSUVNÉ TVAROVÉ SPOJKY .............................................................................................. 171 TŘECÍ VÝSUVNÉ SPOJKY...................................................................................................... 171 SPECIÁLNÍ SPOJKY................................................................................................................. 172

VOLBA PRŮTOKOVÉ RYCHLOSTI ........................................................................................... 179 POTRUBÍ ........................................................................................................................................ 179 HLAVNÍ ČÁSTI POTRUBÍ ....................................................................................................... 179 ROZDĚLENÍ POTRUBÍ ............................................................................................................ 180 ZÁKLADNÍ VELIČINY POTRUBÍ .......................................................................................... 180 POTRUBÍ V HYDRAULICKÝCH OBVODECH ..................................................................... 181 HADICE .......................................................................................................................................... 181 ARMATURY................................................................................................................................... 183 KLAPKY..................................................................................................................................... 183 KOHOUTY ................................................................................................................................. 183 VENTILY ................................................................................................................................... 183 ŠOUPÁTKA ............................................................................................................................... 183 POJISTNÉ VENTILY................................................................................................................. 183 SACÍ KOŠ................................................................................................................................... 183 ODLUČOVAČ VODY ............................................................................................................... 183

SPSKS

MECHANIZMY ................................................................................................................................. 185

14.1 TEKUTINOVÉ MECHANIZMY.................................................................................................... 186 14.2 HYDRAULICKÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY ............................................................................................ 186 14.2.1 ČÁSTI HYDRAULICKÝCH ZAŘÍZENÍ .................................................................................. 187 14.2.1.1 HYDRAULICKÉ KAPALINY .............................................................................................. 187 14.2.1.2 HYDRAULICKÁ ČERPADLA............................................................................................. 187 14.2.1.3 HYDRAULICKÉ POHONY.................................................................................................. 189 14.2.1.4 VENTILY............................................................................................................................... 192 14.3 PNEUMATICKÉ ŘÍDÍCÍ SYSTÉMY (MECHANIZMY) ............................................................. 193 15.1.1 ČÁSTI PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ .................................................................................. 193 15.1.2 JEDNOTKY PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ ......................................................................... 194 15.1.3 PNEUMATICKÉ POHONY....................................................................................................... 194 15. 15.1 15.2 15.3

PŘEVODY........................................................................................................................................... 196 ŘEMENOVÉ PŘEVODY................................................................................................................ 197 ŘETĚZOVÉ PŘEVODY ................................................................................................................. 200 PŘEVODY OZUBENÝMI KOLY.................................................................................................. 202

16.

POUŽITÁ LITERATURA................................................................................................................. 208

17.

ODBORNÉ ČASOPISY ..................................................................................................................... 208

18.

INTERNET ......................................................................................................................................... 208

-6-

POUŽITÉ ZNAČKY A SYMBOLY Značka Značka Název veličina jednotky

Rozměr Název veličiny jednotky

A, S V b D, D h l, L r, R s a

m2 m3 m m m m m m m/s2

g

m/s2

m

ρ

kg kg m-3

I, J

kg.m2

F, (Fg) M, (T) E W, (A) P

N N.m J J W 1 1

čtverečný metr krychlový metr metr metr metr metr metr metr metr za sekundu na druhou metr za sekundu na druhou kilogram kilogram na krychlový metr kilogram krát metr na druhou newton newtonmetr joule joule watt jedna jedna

N N N N N.mm (N.m)

newton newton newton newton newtonmetr

m kg s-2 m kg s-2 m kg s-2 m kg s-2 N.mm

W(kW) 1 MPa MPa MPa MPa

wat jedna megapascal megapascal megapascal megapascal

wat

η µ Ft Fo Fn Fa Mo

P

υ σ σ τ τ

m m m m m m m m ms-2

plocha, povrch objem šířka průměr výška, hloubka délka poloměr délka dráhy, délka segmentu zrychlení

ms-2

tíhové zrychlení, (volného pádu) hmotnost hustota, hmotnost na jednotku objemu moment setrvačnosti

kg

m kg s-2 m2 kg s-2 m2 kg s-2 m2 kg s-2 m2 kg s3

síla, (tíha) moment síly; moment točivý energie (všechny druhy) práce mechanický výkon účinnost (eta) činitel tření (poměrná hodnota) třecí síla síla předpětí normálová síla osová síla ohybový moment

SPSKS

-7-

MPa MPa MPa MPa

výkon součinitel sevření normálové napětí dovolené napětí tangenciální napětí dovolené napětí

SPOJE A SPOJOVÁNÍ Stroje, zařízení a přístroje se zpravidla skládají z mnoha dílů (obr. 1). Při výrobě nebo při montáži jsou jednotlivé díly vzájemně spojovány tak, aby jako celek plnily požadované funkce. Spojením dílů z téhož materiálu vznikne někdy jediný díl a původní části pak nejsou označovány jako díly. Mezi díly se přes spoje mohou přenášet síly nebo točivé momenty. Např. na obrázku 1 se z motorů přenáší točivý moment na převodovky a ty pak pohánějí další zařízení.

SPSKS Obr. 1. Příklad strojního zařízení sestaveného z mnoha dílů

Sestavování soudržného celku ze součástí (dílů) se nazývá spojování. Zajištění vzájemné polohy součástí se označuje jako spojení nebo spoj. Spoj vytváří nebo posiluje soudržnost součástí. S ohledem na demontáž se rozlišují rozebíratelná spojení, u nichž lze demontáž provést bez porušení nebo odstraněním spojovacího členu a nerozebíratelná spojení, u nichž je možná demontáž pouze s porušením základních součástí nebo spojovacího materiálu. Soudržnost spojovaných součástí zajišťují silové spoje, tvarové spoje a materiálové spoje. 1.1 SILOVÉ (TŘECÍ) SPOJE Silový spoj nebo též spojení třením, přenáší síly rovnoběžné se styčnými plochami. Tření (třecí síla) závisí na přítlační síle a koeficientu tření, který je velký u drsných ploch. Koeficient tření závisí na: – vlastnostech jednotlivých povrchů – vzájemném chování (párování) povrchů – mazání třecích ploch – druhu tření Při stejné přítlačnÉ síle se přenese třením hrubých povrchů dílů vetší síla, než při hladkém povrchu dílů.

-8-

Mezi nemazanými díly působí menší tření než mezi suchými (nenamazanými) díly. Tření je tak odlišné při klidu a při vzájemném pohybu. Třecí síla působí proti smykové síle, resp. proti směru smykového pohybu. K silovým spojům patří například spoje realizované pomocí šroubů, klínů, nebo kuželové spoje, spoje s třecí spojkou, uložení s přesahem, rozpěrnými kroužky atd.(obr. 2): Třecí spoje vzájemně přitlačovaných dílů:

Obr. 2. Silové spoje

U silových spojů lze přenášet mezi hřídelem a nábojem nejen točivý moment, ale i osové síly, a to třením. Třením vyvolané síly a momenty způsobují odpor proti vnějšímu namáhání. Podle Columbova zákona platí (obr.3) pro silový spoj při působení osové síly :

SPSKS

Fa < Ft = µ0 . Fn = µ0 . p . As

(1)

a při přenosu točivého momentu:

Mk < Mt = Ft . d/2 = µ0 . Fn . d/2 = µ0 . p . As . d/2

(2)

Obr. 3. Silový spoj hřídele s nábojem a) podélná třecí síla FtL při působení osové síly Fa, obvodové zatížení qa = Fa /(π.D1), tlak ve spáře p p = Fn ú AT, plocha spáry At = π.DT.LT; b) obvodová třecí síla F to při přenosu Mk.

Nerovnosti v rovnicích (1) a (2) možno nahradit bezpečností proti skluzu: Ft = ks . Fn popř. Mt = Ft . d/2 = µ0 . Fn . d/2 = µ0 . p . As . d/2 ks ~ 1,5 – pro klidné zatížení, ks ~ 1.8 – pro míjivé zatížení ks ~ 2,2 – pro střídavé zatížení Ve vztazích (1), (2) a (3) značí (obr. 4.2):

-9-

(3)

Ft – třecí sílu, Fn – normálná síla; Fn = p . As, p – stykový tlak ve spáře, As – styková plocha; As = π . d . l, µ0 – součinitel tření za klidu; podle ČSN 01 4216 se místo µ0 zavádí součinitel sevření ν, který závisí nejen na součiniteli smykového tření, ale i na úchylce tvaru, na stejnorodosti materiálu, na způsobu provedení silového spoje atd. (tab. 1).

U válcových svěrných a všech druhů kuželových spojů je tření vyvoláno vnějšími normálovými silami vyvozenými šrouby, zděřemi, kuželem, nebo kuželovými kroužky. Vnitřní normálové síly mají za následek elastické chování hřídele a náboje. Vznikají u tlakových spojů v důsledku uložení s přesahem. Ve styku vzniká tlak, který nesmí překročit dovolenou hodnotu pd.

SPSKS

1.2 TVAROVÉ SPOJE

Tvarový spoj je založen na takovém tvarování dílů, že do sebe tvarově zapadají a stýkají se co největší možnou, resp. pro funkci spoje dostatečnou plochou. Přenos celého točivého momentu se děje unášečem. Tím mohou být do sebe zabírající profily hřídele a náboje (přímé spojení), nebo vložené unášecí elementy jako kolíky nebo pera (nepřímé spojení). U těchto spojů nenastává téměř žádné přídavné napětí v náboji v důsledku předpětí. Spoj je namáhán na otlačení, smyk a popř. ohyb, přičemž pro dimenzování je směrodatné otlačení v měkčím ze spojovaných materiálů. Díry pro kolíky, drážky per a profilů způsobují v hřídeli vrubový účinek. Proto tyto průřezy je nutno kontrolovat na tvarovou pevnost. V případě přenosu točivého momentu perem na hřídeli se přenášejí síly mezi plochami drážek a plochami. Tvarové spoje mohou být vytvořeny například těsnými pery, drážkovanými hřídeli a náboji, lícovanými šrouby, kolíky, čepy, nýty atd. Příklady tvarového spojení (obr. 4 až 8):

-10-

Obr.4 . Spojení čepem

Obr. 6. Spojení kolíkem

Obr. 5. Spoj ozubeného kola s drážkovým hřídelem

Obr. 7. Spojení drážkováním

Obr. 8. Spojení lícovaným šroubem

1.3 PŘEDEPJATÉ TVAROVÉ SPOJE

SPSKS

Při přenosu momentu tvarovým předepjatým spojem se při narůstání momentu z nulové hodnoty uplatňují nejdříve třecí síly. Vsunutý klín napíná materiál hřídele i dílu obepínajícího hřídel (náboje) tlakem v místě klínu a v místě protilehlého styku hřídele s nábojem tak, jak je to na obrázku 4. Po překročení třecí síly se moment přenáší převážně tlakovými silami mezi klínem a stěnami drážky a stejně velkými silami doplňujícími dvojici sil vytvářející moment s osou mimo osu hřídele. K tvarovým třecím spojům patří klínové spoje, spoje čelným ozubením, kuželové spoje s úsečovými pery (obr. 9) apod.

Obr. 9. Předepjaté spoje se silovým a tvarovým stykem

1.4 SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM Materiálový spoj je nerozebíratelný, vytvořený pomocí přídavného materiálu. Demontáž je možná pouze porušením materiálu ve stykové ploše. K spojům materiálovým stykem patří například spoje realizované svařováním, pájením nebo lepením. Příklady tvarového spojení jsou na obrázcích 10 až 12.:

-11-

Obr. 10. Spojení svařováním

Obr. 11. Spojení pájením

Obr. 12. Spojení lepením

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaká pravidla je třeba dodržovat při ohřevu vnějšího dílu při nalisování zatepla? 2. V jakých případech se montuje? 3. Jak se demontuje kuželový lisovaný spoj? 4. Čím se liší rozebíratelné a nerozebíratelné západkové spoje? DRUHY MECHANICKÝCH SPOJENÍ 2.1 ŠROUBOVÉ SPOJE Šrouby jsou nejčastější strojní součásti používané v konstrukci strojů a zařízení. Používají se jako: – spojovací šrouby pro rozebíratelné spoje, – napínače pro napínání lan a táhel, – uzavírací šrouby (vypouštěcí zátky), – stavěcí šrouby k seřízení nebo nastavení vůle mezi součástmi. 2.1.1

SPSKS

ŠROUBOVÉ SPOJE A JEJICH ČÁSTI

Závit je funkční část šroubu. Vznikne navinutím závitového profilu na válec (popřípadě kužel) ve šroubovici. Závity mohou být ostré (u spojovacích šroubů), ploché (u pohybových šroubů) a zvláštní. Přehled nejpoužívanějších normalizovaných závitů, jejich profilů, označování, určujících jednotek a výpočet rozměrů závitů pro spojovací a pohybové šrouby je ve Strojnických tabulkách. Závity s levým stoupáním šroubovice se označují LH za označením závitu, např. M 24 LH, M 24 1 LH, G ½ LH. Závit spojovacího šroubu a jeho rozvinutí je na obr. 13.

úhel stoupání šroubovice ψ = arctg [P/(π . d2)] Obr. 13. Závit spojovacího šroubu d – vnější (jmenovitý) průměr závitu, d2 – střední průměr závitu, d3 – průměr průřezu jádra šroubu, P – rozteč závitu, ψ – úhel stoupání závitu, α – úhel závitového profilu, β = γ = α/2 – úhel sklonu boků závitového profilu, m – výška matice

-12-

Rozměry potřebné pro výpočet šroubů jsou ve Strojnických tabulkách a v normách [ČSN 01 3214 – 94] až [ČSN 01 4068 – 86]. Označení vybraných závitů zvláštních: Edizonův závit Ed – E 14 – tvar a rozměry v ČSN 01 4055 – 86. Závity šroubů do plechu mají odlišný tvar profilu (obr. 14). Vyrábějí se v rozsahu: 2,5 ≤ d ≤ 8 mm; 0,79 ≤ P ≤ 2,12 mm. Rozměry v ČSN 01 4068 – 86.

Obr. 14. Závity šroubů do plechu a) závit, b) profil závitu, c) konce šroubů

Doporučené průměry vrtáků pro vnitřní závity (maticové) uvádí ČSN 01 4090 – 76 Doporučené průměry vrtáků pro závity matic. 2.1.2

LÍCOVÁNÍ ZÁVITŮ

Technická dokumentace zadávaná do výroby může obsahovat mezní úchylky metrických závitů podle ISO – ČSN 01 4068 – 86, ČSN 01 4316 – 89, ČSN 01 4317 – 89. a) Uložení metrických závitů s vůlí (obr. 15) podle ČSN 01 4314 – 79 Metrický závit. Tolerance. Uložení s vůlí nebo v Strojnických tabulkách. Je vhodné zejména pro maticové šrouby. Doporučená uložení uvádí ČSN 01 4315 – 70 Výběr doporučených mezních úchylek ISO závitů: – 4h5h/4h – pro spoje s malou závitovou vůlí. Dříve SH6/Sh6, – 6H/6g – pro obvyklé druhy provedení (přednostní použití). Dříve SH8/Sh8, – 7H/8g – pro spojení tepelně namáhané nebo s ochranným kovovým povlakem. Dříve SH8/Sd8 – 9H8H/10h8h – pro uložení hrubých šroubů. Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4314 – 79 Metrický závit. Tolerance. Uložení s vůlí nebo ve Strojnických tabulkách. b) Přechodná uložení metrických závitů (obr. 16) používá se převážně u šroubů s hlavou zašroubovanou do oceli, litiny, nebo lehkých slitin za současného použití prvků na doraz (např. hlava, nákružek nebo čípek ve slepé díře) – závit šroubu se tedy nedotahuje až do výběhu. Doporučená uložení jsou v tabulce (tab. 2). Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4316 – 89 Metrické závity. Přechodná uložení. c) U závrtných konců závrtných šroubů se doporučuje uložení s přesahem (obr. 17). Doporučená uložení pro zavrtání do: – oceli: 2H4C/3n, nebo 2H4D/3n. Dříve SH4/Sn2, nebo SH4/Sn3, – litiny: 2H5C/3n, nebo 2H5D/3n. Dříve SH4/Sn2, nebo SH4/Sp3, – Al – Mg – slitin: 2H5C/3p, nebo 2H5D/3p. Dříve SH4/Sp2, nebo SH4/Sp3. Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4317 – 89 Metrické závity uložení s přesahem. Délka zašroubování šroubů jsou v ČSN 01 4316 – 89 Metrické závity. Přechodná uložení.:

SPSKS

-13-

do oceli: b1 = (1 až 1,25).d do litiny: b1 = (1,25 až 1,5).d do litiny: b1 = (1,25 až 1,5).d do Al – Mg – slitin: b1 = (1,5 až 2).d d) Uložení lichoběžníkového závitu rovnoramenného (obr. 18). Doporučená uložení jsou v tab. 3. Číselné úchylky jsou v ČSN 01 4050 – 90 a v ČSN 01 4051 – 89 Lichoběžníkový závit rovnoramenný jednoduchý a vícechodý. e) Lícování ostatních závitů se najde v normách těchto závitů.

SPSKS Tab. 3. Výběr doporučených tolerančních polí lichoběžníkového rovnoměrného závitu

-14-

SPSKS Obr. 15. Polohy tolerančních polí závitů pro uložení s vůlí a) vnější závit, b) pro vnitřní závit

-15-

Obr. 16. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu při přechodném uložení

Obr. 17. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu při uložení s přesahem

SPSKS

Obr. 18. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu pro lichoběžníkový závit rovnoramenný

2.1.3

ZOBRAZOVÁNÍ A KÓTOVÁNÍ ZÁVITŮ

Všechny normalizované závity (vnější i vnitřní) se znázorňují podle ČSN EN ISO 6410 – 1 – 2 – 3 (01 3213). Nejčastější zobrazování a kótování závitů je na obr. 19.

-16-

Obr. 19 Zobrazování vnějších a vnitřních závitů a) v pohledu b), c) v řezu (podélném i příčném)

2.1.4

SPSKS

DRUHY ŠROUBOVÝCH SPOJŮ

Šroubový spoj se skládá nejméně ze tří částí: spojovaného šroubu a spojovaných částí. Podle pružné poddajnosti šroubů se rozeznávají tuhé a poddajné šrouby (obr.20 a 21). Další příklady použití spojovacích šroubů jsou na obr. 22.

Obr. 20. Druhy tuhých šroubových spojů a) průchozí šroubový spoj b) spoj zašroubovaným šroubem ve slepé díře c) spoj závrtným šroubem s maticí 1 – průchozí šroub s maticí 2 – zašroubovaný šroub

-17-

Obr. 21. Druhy poddajných šroubů a) poddajný šroub s hlavou a maticí se středícími plochami b) poddajný šroub bez hlavy s dvěma maticemi c) poddajný šroub s rozpěracími trubkami

SPSKS Obr. 22. Příklady použití různých upevňovacích šroubů a) spoj lícovaným šroubem, b) spoj s otočným šroubem, c) spoj distančním šroubem, d) spoj napínacím šroubem a maticí, e) kotvový šroubový spoj, f) odtlačovací šroub, g) spoj se závěsným šroubem, h) svěrný spoj šroubem

-18-

Šroub se skládá z válcového dříku se závitem a zpravidla z hlavy. Tvary dříků, hlav a ovládacích částí šroubu jsou v ČSN 02 1003 – 90, normalizované tvary konců šroubů ČSN 02 1031 – 83, výběhy a drážky jsou v ČSN 02 2033 a 34 – 87, ČSN 02 1036 a 37 – 87, zahloubení pro šrouby a matice je v ČSN 02 1020 až 24. Označení šroubů: Šroub Md(xP)xl ČSN 01 1xxx.xx 1. doplňková číslice značí třídu pevnosti 2. doplňková číslice znamená povrchovou úpravu: 0 – bez úpravy, 1 – čistý povrch, 2 – černění, 3 – fosfátování, 4 – kadmiování, 5 – zinkování, 6 – mosazení, 7 – niklování, 8 – chromování, 9 – podle zvláštního předpisu. Příklad: Šroub M 20 x 80 ČSN 02 1101.51 Přehled nejpoužívanějších šroubů je v tab. 1.32

SPSKS

-19-

Tab. 4. Výběr nejčastěji používaných šroubů (ČSN 02 1003 – 901 Spojovací součásti. Názvosloví., eqv ISO 1891 – 79)

SPSKS

-20-

Tab. 4. pokračování

SPSKS

-21-

2.1.5

TVARY MATIC A PODLOŽEK

Tvary matic jsou na obr. 23, tvary podložek na obr. 24. Rozměry matic a podložek jsou v příslušných normách. Rozměry matic a podložek jsou ve Strojnických tabulkách a v příslušných normách. Označení matic: Matice M d(xP) ČSN 02 1xxx.xx. Doplňkové číslice stejné jako u šroubů. Příklad. Matice M 36x3 ČSN 02 1401.20. Označení podložek: Podložka d ČSN 02 17xx.xx. Prvá doplňková číslice značí materiál: 1 – ocel 11 423, 2 – slitina hliníku 42 4201, 3 – měď 42 3001, 4 – bronz 42 3016, 5 – mosaz 42 3213, 6 – olovo 42 3733, 7 – lesklá lepenka ČSN 50 3177.1, 8 – tvrzený papír ČSN 64 4111.2, 9 – podle zvláštního ujednání. Druhá doplňková číslice značí povrchovou úpravu: 0 – bez úpravy povrchu, 2 – alkalické černění, 3 – fosfátování, 4 – kadmiování a chromování, 5 – zinkování a chromování, 6 – mosazení, 7 – niklování, 8 – chromování, 9 – podle zvláštního ujednání. Příklad: Podložka 13 ČSN 02 1702.10. Podložky se vkládají pod matice, popř. pod hlavu u velkých děr, měkkého materiálu spojovacích součástí, nebo při nerovnostech, nebo sklonech dosedací plochy. Není-li to nezbytné není nutné používat podložek, protože to zvětšuje „sednutí“ šroubového spoje plastickými deformacemi.

SPSKS Obr. 23. Tvary matic a) šestihranná (ČSN 02 1401 a 02 1601), b) čtyřhranná (ČSN 02 1621), c) kruhová se zářezy (ČSN 02 1449), d) válcová s dírami (ČSN 02 1441), e) válcová s drážkou (ČSN 02 1444), f) uzavřená (ČSN 02 1431), g) rýhovaná (ČSN 02 1461), h) křídlatá (ČSN 01 1665)

Obr. 24. Tvary podložek

-22-

a) lisovaná (ČSN 02 1702, provedení A a ČSN 02 1721), b) soustružená (ČSN 02 1702, provedení B), c) pro ocelové konstrukce (ČSN 02 1708), d) čtyřhranná (ČSN 02 1724), e) pro tyče I, U, IE, UE (ČSN 02 1739), f) vydutá (ČSN 02 1731)

2.1.6

POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÝCH SPOJŮ

Každé spojení spojovacími šrouby je pojištěno proti samovolnému uvolnění při statickém zatížení samosvorností závitu šroubu, třením mezi hlavou šroubu a její dosedací plochou, nebo mezi maticí a její dosedací plochou. Zejména při dynamickém namáhání jeví se v některých případech potřeba přídavného pojištění proti uvolnění, nebo ztrátě matice. Pojištění může být materiálové (přivařením, připájením, přilepením), tvarové (obr. 25) nebo silové (obr. 26). Hlavní rozměry pružných podložek jsou ve Strojnických tabulkách a příslušných normách.

SPSKS Obr. 25. Tvarová pojištění šroubů a) závlačkou (ČSN 02 1781), b) závlačkou a korunovou maticí (ČSN 02 1411), c) pojistnou podložkou s nosem (ČSN 02 1753), d) pojistnou podložkou s jazýčkem (ČSN 02 1751), e) drátem a plombou olověnou nebo plastovou, f) stahovací maticí KM (ČSN 02 3630) s pojistnou podložkou MB (ČSN 02 3640), g) zásekem okraje šroubu do spojovaného materiálu

-23-

Obr. 26. Silová pojištění šroubů a) pružnou podložkou (ČSN 02 1740 a 02 1741), b) dvěma maticemi: 1 – nosná matice (ČSN 02 1401), 2 – přítužná matice (ČSN 02 1403), c, samojistnou maticí se zalisovaným polyamidovým kroužkem (ČSN 02 1492), d) ozubená podložka (ČSN 02 1744), e) vějířová položka s vnějším ozubením (ČSN 02 1745), f) vějířová podložka s vnitřním ozubením (ČSN 02 1746), g) pružná podložka prohnutá (ČSN 02 1733)

2.1.7

SILOVÉ POMĚRY NA ŠROUBU

Silové poměry pro plochý závit (β = 0°) vyplývají z obr. 27. Zde je síla Fn normálová síla a Ft = µZ . Fn – proti pohybu tělesa působící Coulombova třecí síla; µZ je součinitel tření v závitech. Z obr. 27 pro utahování (+), popř. uvolňování (-) vyplývá obvodová síla na (průměru d2):

SPSKS

Fo = F . tg(ψ ± φ), kde φ = arctg µZ je třecí úhel. Pro ostrý závit (β = γ = α/2) > 0°: Fo = F . tg(ψ ± φ´), kde třecí úhel φ´= arctg(µZ/cosβ).

Obr. 27. Síly na šroubu a) zatížení závitu, b) silové poměry se třením při utahování, c) silové poměry se třením při povolování, F – zátěžná sila, Fo – obvodová síla, d – jmenovitý průměr závitu, d2 – střední průměr závitu, d3 – průměr jádra, ψ – úhel stoupání závitu, φ – třecí úhel

-24-

Úhel sklonu boku závitu je u metrických závitů β = 30°, u trubkových závitů β = 27,5°, u lichoběžníkového rovnoramenného β = 15°. Součinitel tření v závitech µZ možno brát přibližně stejný jako v dosedací ploše hlavy (matice) µA podle tab. 5. Součinitel tření v metrickém závitu µ´Z ≈ 1,16.µZ Tab. 5. Součinitel tření µZ ≈ µK ≈ µ pro běžné šroubové spoje

Třecí moment v závitu: MZ = Fo . d2/2 = F . (d2/2) . tg(ψ ± φ´), je-li ψ ≤ φ popř. ψ ≤ φ´je závit samosvorný. Třecí moment v dosedací ploše hlavy/matice (obr. 28): MA = F . r A . µ A

SPSKS Obr. 28. Styková plocha mezi hlavou šroubu a sevřenou částí dA – průměr nákružku pod hlavou šroubu, D1 – průměr díry pro šroub

Obr. 29. Přídavný ohyb šroubu

Pro poloměr třecí plochy platí u šestihranné hlavy/matice: rA ≈ 0,7d. Celkový utahovací moment: MU = MZ + MA + F . (d2/2) . tg(ψ ± φ´) + F . rA . µA. Účinnost závitu při utahování resp. uvolňování: η = tgψ/tg(ψ ± φ) pro plochý závit, popř. η = tgψ/tg(ψ ± φ´) pro ostrý závit Přenos síly a namáhání Šrouby musí být přiměřeně utažené (ani příliš pevně ani příliš lehce)

-25-

Při utahování matic nebo šroubů působí točivý moment (viz následující obrázek vlevo).

Moment síly při utahovaní šroubu

Působení předpínací síly

Příklad: Jak velká je předepínací síla Fv, jestliže je šroub m12 (P = 1,75) utažen momentem MA = 55 N.m při účinnosti η = 011? Řešení: Fv =

SPSKS

M A .2.π 55 000 N.mm.2.π .η = .011 = 21 722 N P 1,75mm

Pro požadovanou předepínací sílu je možné vypočítat utahovací moment MA: Příklad: Jaká velikost utahovacího momentu MA musí být zvolena, jestliže se má ve šroubu M16 (P = 2 mm) vytvořit předepínací sílu Fv = 100 kN při účinnosti η = 15%? Řešení: M A =

Fv .P 100 000 N.0,002.m. = = 212 N.m 2.π.η 2.π.0,15

V závislosti na stoupání závitu vytváří tento točivý moment tahovou sílu (předepínací sílu) ve šroubu; ten se tím prodlužuje. Reakční síla stlačuje spojované díly a stahuje je k sobě (viz obrázek nahoře vpravo). Tuto sílu označujeme jako předepínací sílu Fv. Při příliš velké předepínací síle se šroub plasticky deformuje a může prasknout. Následující tabulky uvádí příklady přdeepínací síly a utahovací momenty některých šroubů.

-26-

Předpínací síla a utahovací momenty šroubů

2.1.8

PŘÍČINY PORUCH ŠROUBOVÝCH SPOJŮ A JEJICH ODSTRAŇOVÁNÍ

SPSKS

1. Nepřesné znalosti o skutečném výskytu a působení vnějších sil. – Snížit dovolené napětí – zvýšit bezpečnost. 2. Nevhodné utahování šroubů. Malé šrouby se snadno ukroutí (použit vysokopevnostní šrouby nebo snížit dovolené napětí.), zatímco velké šrouby dostanou často malé předpětí (klíč příliš krátký). – Nejlépe v těchto případech používat momentový klíč nastavený na utahovací moment. 3. Přídavné ohybové napětí ve šroubu v důsledku tvarových a polohových úchylek šroubu a matic jako úchylka rovnoběžnosti. (obr. 29). Ohybovému namáhání lze zabránit použitím dvou kolových podložek, nebo dalších poddajných šroubů, a rovnoběžným opracováním spojovaných částí. 4. Ztráta předpětí tepelným prodloužením nebo plastickou deformací šroubu a sevřených částí. – Použít vysokopevnostní poddajné šrouby. Pro udržení co nejmenšího sednutí spojovaných součástí nepoužívat měkké podložky, nýbrž tvrdé kalené podložky. 5. Samovolné uvolnění otřesy – pojistit tvarovými pojistkami. 6. Chemické nebo elektrochemické napadení, koroze – vhodná volba materiálu a povrchová ochrana. 7. Opotřebení závitu u pohybových šroubů – vhodná volba dvojice materiálu šroub – matice, mazání a přiměřený stykový tlak. 8. Lomy šroubů při dynamickém namáhání. Rozdělení četnosti lomů normalizovaných šroubů při míjivém zatížení: – 65% lomů v prvním zatíženém závitu, – 20% lomů ve výběhovém závitu – 15% lomů pod hlavou šroubů Únosnosti při dynamickém namáhání lze zvýšit některými konstrukčními úpravami: 1. Tažnou maticí nebo maticí s odlehčovacím vrubem – zlepší se rozdělení napětí po závitech a odlehčí se první nosný závit.

-27-

2. Snížením vrubového součinitele ve výběhu závitu. 3. Zvětšením přechodového poloměru (přechodové radiusy z dříku do hlavy se zmírňujícím vrubovým účinkem) z hlavy do dříku. 2.1.9 ŠROUBOVÁ POLE Často se šroubové spoje nevyskytují jednotlivě, ale ve skupinách, kde zajišťují společně přenos sil a momentů.Z technologických důvodů bývají většinou v polích šrouby stejného průřezu a uspořádané do tvaru rovnoběžníka, nebo na kružnici. V praxi se vykytuje hlavně pět případů podle působení sil a momentů na spoj. Příklad připevnění konzoly ložiska šroubovým polem je na obrázku 30.

Obr. 30. Připevnění konzoly ložiska šroubovým spojem

SPSKS

Příklad: Určete silové poměry ve šroubovém poli pro připevnění konzoly ložiska (obr. 30). Dáno: síla v ložisku FQ = 1,6 kN; z = čtyři šrouby z materiálu 5D; součinitel utahování kU = 1,6 součinitel tření ve stykové spáre µ0. Řešení: 1. Platí že FQi = FQ/z = 400 N 2. M = FQ . l = z . FM max . rmax = z . FM max . e /√2 FMax =

F. l . 2 = 1 191N z .e

3.

Dále platí že: Fi = FQi + FMi;

FQi + FMax

z toho FQ Max =

4. 5.

Předpětí Fv = kv . FQ max/ µ0 = 16 kN Pro Sílu F ≈ 1,6kN a materiál šroubu 5D vychází šroub M5.

FM2 max + FQi2 − 2.FM . cos135o ´= 1 500 N

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jak dělíme šrouby podle tvaru hlavy? 2. Jak lze zpevnit vnitřní závity dílů hliníku tak, aby mohly přenášet velké síly? 3. Proč nesmí překročit tahové napětí šroubu mez kluzu Re, popř. Rp0,2? 4. Jaká je minimální pevnost v tahu a minimální mez kluzu materiálu šroubu pevnosti třídy 8.8? 5. Jakou minimální pevnost v tahu musí mít materiál matice, která se použije společně se šroubem pevnostní třídy 10.9?

6. Jaký je rozdíl mezi zajištěním proti pootočení šroubu a mechanickou pojistkou šroubového spoje? 7. Proč se mohou v případě, že není maximální přepínací síla šroubu Fv plně využita, použít šrouby s menším průměrem? 8. Dvě desky jsou spojeny šroubem M16 pevnostní třídy 12,9. Jaký je součinitel bezpečnosti (vzhledem k Re), jestliže je předepínací síla Fv = 110kN? 9. Jaký utahovací moment je nutné vynaložit, má-li se ve šroubu M10 vytvořit

-28-

při účinnosti utahování η = 0,12 předpínací

síla 70 kN?

2.1.10 POHYBOVÉ ŠROUBY Šroubové mechanizmy (matice – šroub) slouží k přeměně točivého nebo šroubovitého pohybu na posuvný nebo naopak. Čtyři charakteristické případy jsou v tab. 6. Přednostně se používá lichoběžníkový rovnoramenný závit, zřídka plochý. Pro jednostranné namáhání vřetena i lichoběžníkový nerovnoramenný .Tam, kde se požaduje samosvornost, bývají závity jednochodé, jinak pro lepší účinnost vícechodé. V důsledku tření mezi šroubem a maticí je třeba volit vhodné dvojice materiálů. Šrouby (vřetena) jsou nejčastěji z konstrukční oceli 11 500 nebo 11 600, méně namáhané matice jsou z šedé litiny, pro vyšší namáhání z bronzu nebo mosazi, popř. výstelky těchto kovů. Účinnost mechanizmu při zdvíhání: η1 = tg ψ/tg(ψ´ + φ´), při otáčení v opačném smyslu:

η2 = tg(ψ – φ´)/tgψ Tab. 6. Princip jednotlivých druhů šroubových mechanizmů

SPSKS Pevnostní výpočet Průřez jádra vřetena je namáhán osovou silou F na tah nebo tlak a současně momentem MK na krut: σ = F/A3;τK = MK/0,2 d 33 Redukované napětí: σ red = σ 2 + 3τ 2K ≤ σ D Dovolené napětí šroubu s lichoběžníkovým závitem: zatížení míjivé střídavé rovnoramenný σD ≈ 0,2Rm σD ≈ 0,13Rm nerovnoramenný σD ≈ 0,25Rm σD ≈ 0,16Rm

Delší vřetena nutno kontrolovat na vzpěr. Ocelová vřetena se kontrolují při štíhlosti λ ≥ 90 podle Eulera. π2 .E.J Fkr = ≤ k E .F, (µ.lmax ) 2

-29-

kde kE je bezpečnost podle Ruleta: kE = 2,6 až 6 µ se určí z obr. 31 Štíhlost vřetena: λ = ∆µ.lmax/d3 Pro λ < 90 provádí se kontrola podle Tetmajera. Pro ocel 11 500 a 11 600 je σTet = 338 – 0,62.λ. Vzpěrné napětí σvz = F/A3, bezpečnost kTet = σTet/σvz = 1,7 až 4. Kontrola tlaku v závitech matice: F.P p= ≤ pD . m.π.d 2 .H1 Dovolený tlak v závitech pro dvojici šroub – matice: ocel – litina pD = 2 až 7 MPa, ocel – ocel pD = 7,5 až 10 MPa, ocel – bronz pD= 5 až 15 MPa

Obr. 31. Běžné případy vzpěru vřetena šroubu Štíhlost vřetena λ = ∆µ.lmax/d3 a) případ 1: µ = 2, b)c) případ 2: µ =1

SPSKS

2.1.11 ŠROUBOVÝ MECHANIZMUS S VALIVÝMI TĚLÍSKY – KULIČKOVÝ ŠROUB Zvyšuje podstatně účinnost na (90 až 93%). Použití u obráběcích strojů. Kuličkové šrouby a maznice lze koupit jako celek (v různých kinematických variantách a rozměrových řadách) přímo k namontování na stroj.

Obr. 32. Kuličkový šroub 1 – vřeteno šroubu s broušenými kuličkovými drahami, 2 – oběžné kuličky, 3 – matice, 4 – zpětný kanál, 5 – stěrač, 6 – příložka, 7 – spojovací šroub

Princip činnosti: kuličky 2 jsou vraceny zpětným kanálem 4 do výchozího místa při použití dvou matic 3 a jedné příložky 6 lze příslušným předběžným zatížením vyloučit axiální vůli.

-30-

2.2 SPOJE KOLÍKY A ČEPY 2.2.1 SPOJE KOLÍKOVÉ Kolíky patří k často používaným spojovacím součástem. Spojení součástí kolíky je jednoduché a poměrně snadno demontovatelné. Kolík zachycuje síly kolmé k jeho ose, nebo přesně vymezuje vzájemnou polohu dvou součástí. Jsou vhodné pro přenos malých, bezrázových a pokud možno nestřídavých točivých momentů. Jsou válcové nebo kuželové s hlavou nebo bez ní. Rozměry kolíků a jejich přiřazení k čepům jsou normalizovány podle ČSN (viz Strojnické tabulky).

Válcové kolíky slouží k zajištění vzájemné přesné polohy dvou součástí, které jsou spojeny např. šrouby procházejícími volně dírami. Kolík je zalícován (zaražen) do díry, která se vyrobí v obou součástech společně (kvůli sestavování součástí). Díry pro lícované válcové kolíky se vrtají a vystružují, obvyklá uložení jsou H7/n6, H7/m6, H7/p6. Kuželové kolíky vytvářejí velmi přesné a pevné spoje. Zaručují stále přesnou polohu spojených částí i po opakovaném rozebrání spoje. Nejsou vhodné pro spoje, na které působí otřesy a rázy. Díry pro kuželové kolíky se musí vystružovat v obou součástech současně, obvyklá uložení jsou H11/h10, H12/h11. Normalizované kolíky mají kuželovitost 1 : 50, válcové kolíky jsou hladké nebo rýhované. Pružné kolíky jsou duté válcové kolíky z pružinové oceli, takže v radiálním směru silně pruží. Těchto kolíků se s výhodou používá zejména pro konstrukce namáhané vibracemi. Rýhované válcové kolíky mají na povrchu vytlačeny podélné rýhy. Rýhy jsou buď průběžné, nebo jen do poloviny kolíku. Hrany rýh se po zaražení kolíku zaseknou do materiálu, čímž je kolík pojištěn proti uvolnění a pootočení. Rýhované kolíky nevyžadují přesné lícování díry a jsou odolnější proti uvolnění. Nejsou naopak vhodné pro spoje, které se často rozebírají a pro spojování hliníkových částí. Únosnost spojů s rýhovanými kolíky je o cca. 20-30% nižší. Nejčastěji se používá uložení H11/h11, H12/h11. Rýhované hřeby jsou v podstatě rýhované válcové kolíky s půlkulovou nebo zápustnou hlavou, podobnou hlavě nýtu. Těmito hřeby se upevňují např. štítky, plechové kryty apod. Příklady kolíků:

SPSKS

Kolík pro uchycení pružiny je na obr. 33.

-31-

Obr. 33. Kolík pro uchycení pružiny

Kolíkové spoje se dimenzují za zjednodušených předpokladů bez uvážení vlivu zalisování s přiměřeně sníženým dovoleným napětím. U spojovaných části se kontroluje otlačení stykových ploch v oblině díry. Kolíky a čepy se v závislosti na typu spoje kontrolují na smyk nebo na ohyb. U spojů hřídele s nábojem, zatížených kroutícím momentem, se obvykle provádí doplňková kontrola namáhání hřídele na krut.

Ohybové napětí kolíku:

Otlačení:

SPSKS

kde v metrické soustavě: Mb – ohybový moment [Nmm] Wb – modul průřezu v ohybu [mm3] Pb – otlačení od ohybu [MPa] Pp – otlačení od tlaku [MPa] F – působící síla [N] s – tloušťka desky [mm] h – rameno síly [mm] d – průměr kolíku [mm] KSb, KSp – provozní koeficient

-32-

Zajišťovací kolík

Smykové napětí kolíku:

Tlak ve spodní desce:

SPSKS

Tlak v horní desce:

kde v metrické soustavě: F – působící síla [N] s1 – tloušťka spodní desky [mm] s2 – tloušťka horní desky [mm] d – průměr kolíku [mm] i – počet kolíků ve spoji KL – koeficient rozložení zatížení KSb, KSp – provozní koeficient

-33-

Příčný kolík v táhlu a objímce

Zatížení příčnou silou smykem. Spoj se kontroluje na otlačení stykových ploch a smyk kolíku.

Doporučené rozměry spoje: d » (0.2 .. 0.3) D D1 » (1.5 .. 2)D pro ocelový náboj D1 » (2.5)D pro náboj z šedé litiny Smykové napětí kolíku:

Tlak v táhle:

SPSKS

Tlak v objímce:

kde v metrické soustavě: F – působící síla [N] D – průměr táhla [mm] D1 – průměr objímky [mm] d – průměr kolíku [mm] i – počet kolíků ve spoji KL – koeficient rozložení zatížení KSb, KSp – provozní koeficient

-34-

Radiální kolík pro spojení hřídele s nábojem.

Zatížení kroutícím momentem. Spoj se kontroluje na otlačení stykových ploch, smyk kolíku a kroucení hřídele.

Doporučené rozměry spoje: d » (0.2 .. 0.3) D D1 » (1.5 .. 2) D pro ocelový náboj D1 » (2.5) D pro náboj z šedé litiny

SPSKS

Smykové napětí kolíku:

Tlak v hřídeli:

Tlak v náboji:

Napětí hřídele v krutu:

kde v metrické soustavě: T – kroutící moment [Nmm] D – průměr hřídele [mm] D1 – průměr náboje [mm] d – průměr kolíku [mm] KSb, KSp – provozní koeficient

-35-

Spárový (podélný) kolík pro spojení hřídele s nábojem

Doporučené rozměry spoje: d » (0.125 .. 0.2) D Lf » (1 .. 1.5) D D1 » (1.5 .. 2) Dpro ocelový náboj pro náboj z šedé litiny D1 » (2.5) D

Smykové napětí kolíku:

SPSKS

Tlak v hřídeli a náboji:

Napětí hřídele v krutu:

kde v metrické soustavě: T – kroutící moment [Nmm] D – průměr hřídele [mm] D1 – průměr náboje [mm] d – průměr kolíku [mm] Lf – funkční délka kolíku [mm] i – počet kolíků ve spoji KL – koeficient rozložení zatížení KSb, KSp – provozní koeficient

-36-

Volba kolíku Z výběrového seznamu vyberte provedení (normu) kolíku. Normalizované kolíky a čepy mají normou předepsány přesné rozměry průměrů a délek. Rozměry kolíků dle ANSI jsou normou definovány v [in], u ostatní typů jsou rozměry definovány v [mm]. Provedení normalizovaných čepů a kolíků

SPSKS Počet kolíků Pro přenos větších zatížení je možné použít ve spoji více kolíků. Jejich uspořádání bude závislé na celkovém provedení spoje, případně i charakteru zatížení. U spárových kolíků na hřídeli se obvykle volí symetrické uspořádání (přesazené o 180°).

Koeficient rozložení zatížení Vlivem výrobních a montážních nepřesností nemusí být u spojů s více kolíky vždy dosaženo rovnoměrného rozložení zatížení mezi všechny kolíky. Skutečná nosná plocha spoje je pak nižší než nosná plocha stanovená teoreticky. Poměr mezi teoretickou a skutečnou nosnou plochou spoje je definován koeficientem rozložení zatížení. S ohledem na provedení spoje, přesnost uložení a počet kolíků se velikost koeficientu udává v rozmezí 0.5 až 1. -37-

Upozornění: U spojů s těsným uložením kolíků (bez vůlí), u kterých byly díry pro kolíky vrtány současně při montáži spoje, lze předpokládat rovnoměrné rozložení zatížení. Pro takovéto spoje se pak obvykle volí koeficient roven 1. Provozní koeficient (tlak) Vyjadřuje celkový vliv výrobních a provozních parametrů na snížení únosnosti spoje z hlediska přípustného otlačení stykových ploch. Jeho velikost závisí na typu kolíku a charakteru zatížení spoje. S ohledem na zmíněné parametry jsou v literatuře uváděny hodnoty koeficientu v rozmezí 1 až 3.

Provozní koeficient (ohyb, smyk) Vyjadřuje celkový vliv výrobních a provozních parametrů na snížení únosnosti kolíku namáhaného smykem resp. ohybem. Jeho velikost závisí na typu kolíku a charakteru zatížení spoje. S ohledem na zmíněné parametry jsou v literatuře uváděny hodnoty koeficientu v rozmezí 1 až 3.

Průměr kolíku Průměr kolíku vyberte z normou předepsané rozměrové řady průměrů.

Dovolený rozsah délek kolíku Normou předepsaná minimální a maximální dovolená délka vybraného kolíku.

SPSKS

Minimální funkční délka kolíku

U spojů se spárovým kolíkem udává tento parametr minimální funkční délku zvoleného kolíku, potřebnou pro bezpečný přenos zadaného kroutícího momentu. U ostatních typů kolíkových a čepových spojů je minimální délka dána konstrukcí spoje a rozměry spojovaných částí

Funkční délka kolíku Funkční délka kolíku je celková délka zmenšená o sražení resp. zaoblení konců kolíku.

Pevnostní kontroly spoje Kolíkové spoje se dimenzují za zjednodušených předpokladů bez uvážení vlivu zalisování s přiměřeně sníženým dovoleným napětím. U spojovaných části se kontroluje otlačení stykových ploch v oblině díry. Kolíky a čepy se v závislosti na typu spoje kontrolují na smyk nebo na ohyb. U spojů hřídele s nábojem zatížených kroutícím momentem se obvykle provádí doplňková kontrola namáhání hřídele na kroucení. Rozměry kolíků jsou v příslušných normách nebo v Strojnických tabulkách

Označení kolíků Označení: Kolík d x l ČSN 02 21xx(.xx.), Hřeb d x l ČSN 02 219.0x 1. doplňková číslice značí materiál, 2. doplňková číslice u kuželových kolíků značí drsnost povrchu (1 – Ra ´1,6; 2 – Ra = 0,8), u hřebů značí povrchovou úpravu (0 –

-38-

nepředepsáno, 2 – černěno, 3 – kadmiováno, 4 – zinkováno, 7 – niklováno, 8 – chromováno, 9 – podle zvláštního předpisu).

Příklady kolíkových spojů (obr. 33)

SPSKS Obr. 33. Praktické provedení kolíkových spojů

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jak můžeme rozdělovat nýtové spoje podle požadavků, které jsou na ně kladeny? 2. Jaké přednosti mají nýtové spoje oproti svarům? 3. K čemu se používají lícované kolíky? 4. V jakých případech se používají jednostranné nýty? 5. Proč se pro slepé díry používají válcové kolíky s podélnými drážkami? 6. Při lícování válcového kolíku φ 8h8 v díře φ 8H7 se jedná o uložení s vůlí. Jaká je maximální a minimální vůle? 7. Jak velká je kuželovitost kuželových kolíků? 8. Jaké přednosti má lisovací nýtování? 9. Z jakých materiálů se vyrábějí nýty? -39-

10. Proč by měly být spojované díly a nýty ze stejného materiálu?

2.3 SPOJE ČEPOVÉ Spojovací čepy používáme k rozebíratelnému kloubovému spojení součástí nebo k pohyblivému (obr. 34), uložení výkyvných součástí, např. pák, klik, apod. Tvar, rozměry, mezní úchylky, materiál a provedení jsou pro normalizované čepy předepsány ve skupině ČSN 02 21xx.

Obr. 34. Příklady použití čepových spojů. Zajištění proti osovému posunutí: a) čepu bez hlavy závlačkami a podložkami, b) čepů bez hlavy pojistnými třmenovými kroužky, c) čepu s hlavou pojistným kroužkem, d) čepu s hlavou a závitem maticí a podložkou

SPSKS

Čepy jsou vlastně tlustší válcové kolíky, které jsou obvykle uloženy v součástech s vůlí a vytvářejí tedy kloubové spoje, např. táhel a vidlic. Mohou však též nahrazovat krátké nosné hřídele pojezdových kol, kladek apod. Potom se ale musí pečlivě mazat. Existují další kombinace jednotlivých druhů čepů s uvedenými druhy pojistek. Zajištění čepů v součásti proti pootočení přídržkou přišroubovanou dvěma šrouby je na obr. 35.

Obr. 35. Zajištění čepu proti pootáčení přídržkou

2.3.1 DRUHY A OZNAČOVÁNÍ SPOJOVACÍCH ČEPŮ Rozměry normalizovaných čepů jsou v příslušných normách nebo ve Strojnických tabulkách. Označení: Čep d x l x (x lh) ČSN 02 21xx.xx. Materiál – 1. doplňková číslice: 11 109 nebo 11 343 – 0, 11 500 – 1, 11 600 – 2, podle zvláštního předpisu – 9. Úprava povrchu 2. doplňková číslice: bez úpravy – 0, kadmiováno – 4, zinkováno –5, chromováno –8, podle zvláštního předpisu – 9.

-40-

Tab. 7. Přehled normalizovaných čepů

SPSKS Přiřazení závlaček čepům a šroubům je v ČSN 02 1781 – 76 Závlačky. Délky čepů l zajištěných závlačkami s roztečí l1 se vypočítá z tab. 8 a 9. Tabulka 8. Vzorec pro rozteče děr pro závlačky l1 a celkové délky čepů

-41-

Tab. 9. Hodnoty A a B pro čepy podle ČSN 02 21xx, závlačky podle ČSN 02 1781 a podložky podle ČSN 02 1702 a hodnoty vmin. Obrázky jsou v tab. 8 a rozměry jsou uváděný v mm

2.3.2

Výpočet čepů (obr. 36)

Ohyb čepu: σ o =

Smyk čepu: τs = Tlak v tyči: p1 =

MO 3 .F.l 4.F.l = = ≤ σo 3 WO 8.π.d π.d 3

SPSKS F 2.F = ≤ τ Ds zanedbate ln é 2 2.(π / 4).d π.d 3

F ≤ p D1 d.l

Tlak ve vidlici: p 2 =

F ≤ pD2. 2.b.d

Obr. 36. Čepy a kolíky v táhlech namáhané ohybem a) spoj, b) rozložení napětí a tlaků; l = (0,5 až 1,7) . d, b = (05 až 0,3) . l, D ≈ 2,5d pro ocel tvářenou i litinu, D ≈ 3,5d pro litinový náboj

-42-

Dovolená napětí a tlaky podle tab. 10. Tab. 10. Směrné hodnoty dovolených napětí čepových a kolíkových spojů. Stejné hodnoty otlačení je možno použít pro spoje náboje s hřídelem.

Opakování a prohloubení znalostí

SPSKS

1. Jaké použití kolíků a čepů poznáte z praxe? 2. Je nutno díru pro normalizované čepy vystružit? 3. Dutý čep o vnějším průměru d= 125 mm a vnitřním průměru d= 80mm přenáší ohybový moment 15 700 N.m. Vypočtěte průměr plného čepu, který přenese totéž ohybové zatížení. (d´∼ ∼ 120 mm)

Následují odborné texty související se spojením čepy zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd.

Spojení čepy charakteristika (konstrukční znaky) Dobře rozebíratelná spojení pomocí válcového čepu vloženého s hybným uložením do otvorů ve spojených částech, takže je spoj otočně pohyblivý okolo osy čepu.

Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti)

-43-

Typická provedení:

Tvary Normalizované čepy A) bez hlavy a) bez děr (ČSN EN 22340) a) b) s dírami pro závlačky (ČSN EN 22340) b) B) s hlavou a) bez děr b) s dírou pro závlačku

(ČSN EN 22341) c) (ČSN EN 22341) d), e)

SPSKS

Nenormalizované čepy Příklady:

Rozměry Normalizované čepy podle příslušné ČSN: d: 1 – 200 mm l : v přiřazených řadách Tolerance a uložení Obvykle H11/h11 (příp. H10/h8 nebo H8/f8)

-44-

Materiály oceli tř. 11 100 (11 103, 11 110) 11 300 (11 341, 11 373) 11 400 (11 423) Nenormalizované čepy : oceli tř. 11 500 11 600 Normalizované čepy :

Poznámky: –

Orientační statické pevnostní hodnoty (pro dynam. namáhání ~ x 1 / 2).

materiál čepu - např.:

11 373

11 500

spt @

370 MPa

500 MPa

skt @ (0,6 - 0,8) spt

220 MPa (x 0.6) 300 MPa (x 0.6)

sD @ skt / ( (1,5 ÷) 2,5 )

90 (÷ 150) MPa 120 (÷ 200) MPa

tD @ 0,6 sD

50 (÷ 90) MPa

80 (÷ 120) MPa

pDv @ (p / 4) pD ~ 0.8 sD 70 (÷ 120) MPa 100 (÷ 160) MPa – vliv válcového uložení pDv poh,zat @ 0,2 pD

15 (÷ 25) MPa

20 (÷ 30) MPa – vliv pohybu

mater. spoj. částí - např.: 422425 (š.litina)

11 373

pDv @ (p / 4) pD ~ 0.8 sD 40 (÷ 50) MPa

80 (÷ 120) MPa

pDv poh,zat @ 0,2 pD

15 (÷ 25) MPa

– –

SPSKS 10 MPa

Pro šedou litinu (např. 422425): sD @ sPt / (4 ÷ 5) = 250 / (4 ÷ 5) >= 50 ÷ 60 MPa. Pozor, pro dovolené měrné tlaky ve spoji pDsp = pDmin (tzn. je vždy rozhodující pD méně kvalitního materiálu ve dvojicích čep - spojovaná část !). – Ve spojích s pohybem při zatížení musí mít čep a spojované části rozdílné tvrdosti povrchu.

Vlastnosti (vnější vlastnosti) Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy – – – – –

Přenos sil kolmých na osu čepu při možnosti natáčení spojených částí (klouby). Vůle ve spoji jsou na závadu při dynamickém zatěžování. Při provozu vyžaduje spoj mazání (pokud není opatřen samomazným pouzdrem ap.). Rozebíratelnost závisí na způsobu axiálního zajištění čepu, většinou jednoduchá. Spolehlivost proti uvolnění rovněž závisí na způsobu axiálního zajištění čepu, většinou vysoká. – Spolehlivost proti poruše je dána spíše přilehlými zónami (partiemi) spojovaných částí, než čepem.

-45-

Výroba, montáž –

Velmi jednoduchá výroba, konstrukční úpravy spojovaných částí jsou jednoduché (zarovnání čel a vystružení), čepy i prvky pro zajištění polohy čepu se většinou nakupují jako normalizované díly (komponenty), výroba nenormalizovaných čepů je rovněž (obecně) jednoduchá.

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů –

Velmi rychlý návrh, výroba (a nákup), montáž i demontáž.

Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů – – –

Levný spoj. Provozní náklady dány pouze nároky na mazání. Náklady na demontáž minimální.

Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností)

SPSKS

Master stavební struktury (pro typické provedení)

Hlediska - únosnost a pevnost Ohyb čepu (zjednodušení pro větší bezpečnost) v řezu 1 jako u nosníku na dvou podporách:

-46-

lohyb ~ ( l2 / 2 ) + l1 + ( l2 / 2 )

Smyk čepu (jen pro krátké tlusté čepy bez axiální vůle ve vidlici) v řezech 2 jako pro čistý smyk v soumezných plochách:

Měrný tlak ve styku čepu a spojovaných částí v plochách I a II jako na (obdélníkové) průměty válcových povrchů

SPSKS kde: npl = 2 … počet (shodně) zatížených ploch

Poznámky: Při návrhu spoje obvykle : F(max) = Kdyn . F => materiál, rozměry Při kontrole spoje obvykle: bezpečnost <= F(max), materiál, rozměry Orientačně lze uvažovat Kdyn = { 1, 2 } kde: F(max) – max. (výpočtové) provozní zatížení K – dynamický (provozní) součinitel zatížení F – statické (ustálené) provozní zatížení

Montáž, provoz a demontáž Zajištění polohy čepu (proti osovému posunutí) hlavou čepu opěrnými kroužky (podložkou) a závlačkou pružnými poj. kroužky (vnějšími i vnitřními)

-47-

a), b) c) e), f)

příložkou se šrouby g) stavěcími kroužky se závlačkou nebo kolíkem stavěcím šroubem kolíkem (příčným nebo tečným)

Příklady pružných pojistných kroužků (vnějších i vnitřních):

2.4 ZÁVLAČKY (obr. 37a)

SPSKS

Používají se k osovému zajištění matic a čepů. Zajišťují strojní součásti (např. čepy, matice, stavěcí kroužky) proti uvolnění, posunutí popř. ztrátě. Rozměry závlaček jsou v ČSN 02 1781 – 76 závlačky.

Označení: Závlačka d x l ČSN 02 1781.0x.

Materiál: 1. doplňková číslice: 0 – bez úprav, 4. – kadmiováno, 5. – zinkováno, 9. – podle zvláštního ujednání. Druhy:

Obr. 37a. Závlačky: a,b) jednoduchá; c) pružinová; d) vedení

-48-

2.5 POJISTNÉ A STAVĚCÍ KROUŽKY Pojistné kroužky jsou na obr. 37b. Jejich rozměry jsou v příslušných normách a ve Strojnických tabulkách.

Obr. 37b. Pojistné kroužky

Obr. 38. Stavěcí kroužky

Legenda k obrázku 37b: a) drátěné ČSN 02 2925, b) drátěné s hákem ČSN 02 2927 pro zajištění matic ČSN 02 1450, c) drátěné zahnuté ČSN 02 2930 (jen d = 1,9 až 19 mm), e) pro hřídele ČSN 02 2930, f) pro díry ČSN 02 2931 Legenda k obrázku 38: Stavěcí kroužky a) se stavěcími šrouby – lehký druh ČSN 02 2910, b) se stavěcími šrouby – těžký druh ČSN 02 2911, c) se závlačkou nebo kuželovým kolíkem ČSN 02 2912

Na hladkých hřídelích možno pro osové vymezení součástí použít stavěcí kroužky (obr. 38). Rozměry jsou v příslušných normách ve Strojnických tabulkách.

SPSKS

Označení: a) pojistné kroužky pro hřídele/díry: Pojistný kroužek d1 ČSN 02 2930/02 2931 nebo ČSN 02 292x; b) stavěcích kroužků: Stavěcí kroužek d ČSN 02 291x. Materiál: pojistných kroužků drátěných: ocelový tažený drát tř. 3 ČSN 42 6450, pojistných kroužků plochých: ocel 12 071, stavěcích kroužků: ocel, popř. lehké neželezné kovy a mosaz. Opakování a prohloubení znalostí 1. Jak se liší čepový spoj od kolíkového spoje? 2. Co mohou nahrazovat čepové spoje? 3. Vyjmenujte materiály z čeho se čepy vyrábějí?

4. Vyjmenujte druhy čepů a charakterizujte jejich použití? 5.Jaké je obvyklé uložení normalizovaných čepů? 6. Jak je čep pojištěn proti osovému posuvu?

2.6 SPOJE HŘÍDELE S NÁBOJEM Slouží k nerozebíratelnému nebo rozebíratelnému spojení hřídele a náboje a k ustavení jejich vzájemné polohy. Musí přenášet kroutící moment MK, resp. obvodovou sílu F, osovou sílu Fa a zachycuje radiální silu Fr a ohybový moment MO.

2.6.1 FUNKCE HŘÍDELŮ Hřídele jsou obvykle válcové součásti umožňující přenášení rotačního pohybu. Rozdělují se na hřídele nosné a hybné. -49-

Nosné hřídele (osy) přenášejí pouze ohybový moment. Mohou být: a) nepohyblivé v rámu stroje (obr.39 a). Nesou otáčející se součásti jako kladky řemenů, řetězky, bubny zdvihadel, pojízdná kola, vodící kladky řemenů a lan, napínací kotouče, páky atd. b) otočné s naklínovanými nebo nalisovanými koly (obr. 39 b), které však nepřenášejí kroutící moment, např. nápravy. Hybné hřídele přenášejí kroutící momenty (obr. 39 c). Jejich tvar je dán použitím.

SPSKS

Obr. 39. Různé uspořádání a namáhaní hřídelů Legenda k obrázkům: a) lanová kladka s nepohyblivým nosným hřídelem (statický ohyb: součinitel nesouměrnosti cyklu ro = σn/σh = 1), b) lanová kladka s otočným nosným hřídelem (ohyb za rotace: ro = – 1), c) řemenice s ohybným hřídelem (pulzující krut: 0 ≤ rk < 1; ohyb za rotace: ro = – 1)

Části hřídelů, kterými se hřídel opírá o rám stroje, se nazývají čepy. Čepy jsou uloženy v ložiskách. Podle směru, kterými působí reakce v čepu, vyvolaná užitečným zatížením, se čepy rozdělují na: radiální – přenášejí reakce působící kolmo na osu hřídele, axiální (osové) – síly působí v ose hřídele.

2.6.2 TVARY A KONSTRUKCE HŘÍDELŮ 2.6.2.1 HLADKÉ HŘÍDELE Jsou z kruhové lehké tažené oceli, soustružené nebo broušené. Jsou použitelné jen u jednoduchých málo namáhaných strojů. Upevnění kol na hřídel je možné svěrným nebo rozpěrným spojením nebo příčným kolíkem. Axiální zajištění hladkých hřídelů se děje stavěcími nebo pojistnými kroužky.

2.6.2.2 OSAZENÉ HŘÍDELE Osazením hřídelů vznikají konstrukčně podmíněnými rozdíly průměrů, např. ložiskové čepy, místa pod tlakové spoje, opěrky pro nasunuté součásti, konce hřídelů. Další odstupňování průměru hřídele, tzv. osazení, vyplývá z pevnostního výpočtu. Každé osazení hřídele však vyvolává v tomto místě vrubový účinek. Některé vhodné tvary osazení hřídele jsou na obr. 40. Konstrukční tvary nákružků jsou na obr. 41.

-50-

2.6.2.3 DUTÉ HŘÍDELE Použití dutých hřídelů je většinou podmíněno funkcí, např. vřetena soustruhu (přechod dlouhého tyčového materiálu), nástrčné převodovky (výstup dutým hřídelem) atd. Jejich použitím se dosáhne úspory hmotnosti, která má vliv i na výši provozních nákladů (např. vozidla, letadla). Při stejném vnějším průměru da = d0 = konst. je vztah mezi hmotnostmi (obr. 42): km1 = m/m0 = A/A0 = 1 – (di/da)2 a mezi moduly průřezů: kw = W / Wo = J/Jo = 1 – (di/da)4. Pro konstantní modul průřezu W = Wo = konst. lze vyjádřit rozdíly mezi plným a dutým hřídelem pomocí průměrů: kd = d / do = [1 – (di/da)4]-1/3 a poměru hmotností: km2 = m/m0 = A/A0 = kd2.km Z obrázku 42 plyne, že hřídele mohou být s výhodou odvrtány do poměru (di/da) ≥ 0,4. Při tomto poměru jsou moduly průřezu jen o 2,6% menší a úspora hmotnosti přitom činí 16 oproti plným hřídelům. Pro stejnou únosnost obou hřídelů (km2) je výhodný i např. poměr (di/da) = 0,8, při němž je úspora hmotnosti 49% (km = 0,511) při zvýšení vnějšího průměru dutého hřídele pouze o 19% (kd = 1,192). Ekonomicky je použití dutých hřídelů opodstatněno jen tehdy, není-li hřídel vyráběn třískovým obráběním z plné tyče, ale jsou-li k dispozici trubkové polotovary např. výkovky nebo vývalky.

SPSKS

-51-

SPSKS Obr. 40. Osazení hřídelů

Obr. 42. Funkce pro porovnání dutých a plných hřídelů

Legenda k obr. 40. a) běžné zaoblení, b) sousedství dvou vrubů, c) zápichy ČSN 01 4960, tvar G a F, d) přechod dvěma oblouky R a R1 – drahá výroba, f) přechod dvěma oblouky u tlakových spojů

Obr. 41. Tvary nákružků

-52-

2.6.2.4 OHYBNÉ HŘÍDELE (FLEXIBILNÍ) Ohybné hřídele (obr. 43 a) umožňují přenos točivého pohybu a malých Mk (< 13N.m) tam, kde se poloha pohonu od náhonu mění, např. pohon ručních brusek na koleje, rotačních kartáčů pro čistění kotelních trubek, náhony tachometrů, zubařských vrtaček apod. Směrné hodnoty: P ≤ 5 kW, n ≤ 5 000 min-1.Poloměry křivosti ohnutého hřídele nesmějí být menší než (15 až 25) d, (d – průměr duše hřídele).

Obr. 43. /plný průřez (a) a konstrukce ohebného hřídele (b)

Obr. 44. Diagram výkonu P přenášených ohebnými hřídeli. Pro každý průměr d je vynášen dovolený točivý moment Mk.

Legenda k obrázku 43 1 – duše hřídele, 2 až 4 – drátěná vinutí, 5 – ochranná kovová hadice, 6 – vložka vinutá z ploché oceli, 7 – náplň plastického maziva, 8 – hřídelová spojka, 9 – konec hřídele pro přívod nebo odvod točivého momentu, 10 – koncovka hřídele, 11 – čepová západka (odpružená), 12 – vodicí objímka d1 až d3 – průměr drátu, d – průměr hřídelové duše, l1 – délka duše hřídele, l2 – stavební délka, l3 – celková délka

SPSKS

Konstrukce hřídele je na obr. 43 b. Vnější vrstva má smysl vinutí souhlasný se smyslem otáčení hřídele. Otáčí-li se hřídel opačně, klesá jeho únosnost o (30 až 60%) jmenovitého Mk. Smysl otáčení bývá vyznačen a bývá přednostně při pohledu od hnací strany. Směrné hodnoty přenášených točivých momentů, otáček a výkonu, odpovídají jmenovitému průměru a jsou na obr. 44.

2.6.3 MATERIÁLY A JEJICH MECHANICKÉ VLASTNOSTI Materiály hřídelů se volí podle velikosti, charakteru provozního zatížení (statické, rázové, periodicky míjivé nebo střídavé), podle požadavku hmotnosti stroje, podle vrubové citlivosti, opotřebitelnosti a možnosti tepelného zpracování. Nejčastěji se používají konstrukční oceli 11 500 a 11 600 až 11 700, pro více namáhané hřídele ušlechtilé nebo legované oceli, nejčastěji ve stavu zušlechtěném (tab. 11). Pro určení napětí v jednotlivých průřezech hřídele je třeba znát průběhy Mo a Mk podél délky hřídele. Vnější síly obecně mají různou polohu v prostoru, proto je nutno rozložit je do dvou na sebe kolmých rovin (x – y a y – z). Výsledný ohybový moment v každém průřezu je dán vektorovým součtem: M o = M 2xy + M 2yz . Příklad nejčastějšího zatížení a jeho průběhu je na obr. 45.

-53-

Tab. 11. Výběr materiálů pro hřídele

SPSKS Obr. 45. Hřídele s klínovou řemenicí a čelným ozubeným kolem se šikmými zuby a) schéma zatížení hřídele, b) průběh ohybových momentů, 1 – ozubené kolo, 2 – klínová řemenice

-54-

2.6.4 DIMENZOVÁNÍ HŘÍDELŮ 2.1.1.1 NOSNÉ HŘÍDELE Potřebný průměr:

d≥3

32 M o ; (Mo v N.mm), π σ Do

d≥3

32 Mo , π 1 − (d i / d a )4

2.1.1.2 HYBNÉ HŘÍDELE Počítá se předběžně pouze na krut se sníženým dovoleným napětím: Mk = P/ω = P/(2πn)

(N. m = J = W. s)

Průměr vstupního, popř. výstupního konce hřídele (u předlohových hřídelů průměr pod menším ložiskem):

d=3

16 M k , π τ Dk

(Mk v N.mm),

τDk se volí z tab. Tab. 12. Hodnoty dovolených napětí τDk (MPa) konců hřídelů

SPSKS

Pro duté hřídele:

da ≥ 3

16 Mk , πτDk 1 − (d i / d a ) 4

Rychlé přibližné stanovení průměru hřídele je možné též z obr. 46. Vypočítané vstupní a výstupní průměry se zaokrouhlí na normalizovanou hodnotu podle ČSN 01 4990 – 87 Válcované konce hřídelů popř. ČSN 01 4992 – 74 Kuželové konce hřídelů s kuželovitostí 1:10. Základní rozměry a taktéž ze Strojnických tabulek. Nyní se hřídel odstupňuje (dodržet normalizované průměry pod ložiska a těsnící kroužky) a nakreslí se jeho konstrukční výkres (stanoví se vzdálenosti a šířky ložisek a nábojů kol).

-55-

SPSKS obr. 46. Nomogram pro přibližné stanovení průměru hřídelu d z momentu Mk a napětí τDk

2.6.5 KONTROLA STATICKÉ BEZPEČNOSTI Hřídele se zpravidla kontrolují na kombinovanou pevnost v ohybu a krutu v nebezpečném průřezu (Mo max).

M red = M o2 max + 0,75.(α o M k ) 2 , nebo zavedením σo max = Mo max / Wo ≅ Mo max / (0,1 d3) , 3

τk = Mk / Wk ∼ Mk / 0,2.d , a -56-

σ red = σo2 max + 3.(α o τ k ) 2 , Kde αo je opravný součinitel αo = 0,7 při střídavém ohybu a klidném až míjivém krutu, αo = 1 pří střídavém krutu. Moduly průřezu Wo a Wk pro kruhové průřezy zeslabené drážkou pro pero jsou v tab. 13. U drážkových hřídelů se počítá s průřezem jádra profilu a kontroluje se ještě tlak v bocích drážek. Bezpečnost proti trvalým deformacím: ks = Re/σred = 1,3 až 1,4. Ložiskové čepy se kontrolují ještě na otlačení: p = F/(d.l) ≤ pD Tab. 13. Moduly kruhových průřezů s drážkou pro pero

SPSKS

-57-

2.2 NÁBOJE Náboje součásti kol a přírub, které umožňují upevňování těchto součástí na hřídelích. Většinou mají tvar dutého válce s vnitřním průměrem d (= průměr hřídele), vnější d1 a délkou l. Jejich rozměry se zpravidla volí podle empirických hodnot z tab. 14. Určité konstrukční úpravy trubkovitého tvaru náboje se provádějí většinou pouze u tlakových spojů za účelem snížení vrubového účinku spoje. Je-li hřídel u klínových spojů uložen v náboji s vůlí (obr. 47), bude náboj po naražení klínu zatížen silou Fn = p.b.l a řezech A – A a momentem Mo = Fn. a/4 v řezu B – B. Za předpokladu běžných rozměrových poměrů pro normalizované drážkové klíny: b = 0,25.d, s = 0,5.d, s1 ´0,4.d, l = 1,5.d, a = 1,5.d bude v řezu A – A tahové napětí: σ=

Fn p.b.l p.0,25d = 0,25p ≤ σ D . 2.s.l 2.s.l 2.0,5d

Je-li pro litinu σD ∼ 15 MPa, pak p = σD/0,25 = 60 MPA. V řezu B – B vzniká ohybové napětí:

σo =

Mo Fn .a ´3.p.b.a 3.p.0,25.d.1,5.d = = = 3,5.p . 2 Wo 4. 1 .l.s 2 2.s12 2.(0,4.d ) 1 6

Při pD = 60 MPa je σo = 210 MPa, což je pro běžnou litinu nepřípustné. Proto je nutno uložit hřídel v náboji bez vůle (přechodné uložení). Dojde tím přibližně k rovnoměrnému rozložení tlaku po obvodu náboje, působiště výslednice tlaků lze předpokládat ve vzdálenosti a/4 od středu hřídele a ohybový moment bude poloviční:

SPSKS

Mo = (Fn/2). (a/4) = Fn.a/8 ⇒ σo = 1,75.p.

Tab. 14. Směrné hodnoty pro průměr náboje D a délku náboje l

-58-

Tab. 15. Používaná rozebíratelná spojení hřídele s nábojem

Obr. 47. Pevnostní kontrola náboje

2. 8 SPOJE HŘÍDEL – NÁBOJ Tímto spojením se zajišťuje přenos obvodové síly a točivého momentu mezi hřídelem a nábojem. Spojení tuhá v kroucení zamezují relativnímu pootočení mezi hřídelem a nábojem. Dovolují však v určitých případech (výměna pera, drážkového hřídele) podélný posuv náboje po hřídeli. Pro točivý moment a obvodovou sílu existuje vtah: Mk = F.d/2. Při konstantním Mk je F nepřímo úměrná d. Pro menší namáhání spoje obvodovou silou by měl být průměr spojovací spáry co největší.

SPSKS

Spoje hřídele s nábojem mohou být provedeny jako materiálové, tvarové nebo silové.Jejich nejužívanější provedení jsou v tab. 15. Ve strojírenství se nejčastěji používají rozebíratelné tvarové a silové spoje. Nerozebíratelné materiálové spojení (svařované, lepené) se u spojení hřídele s nábojem používají zřídka.

2.8.1 TVAROVÁ SPOJENÍ Přenos celého točivého momentu se děje unášečem, kterým mohou být do sebe zabírající profily hřídele a náboje (přímé spojení), nebo vložené unášecí elementy jako kolíky nebo pera (nepřímé spojení). U těchto spojů nenastává téměř žádné přídavné napětí v náboji v důsledku předpětí. Spoj je namáhán na otlačení, smyk a popř. ohyb, přičemž pro dimenzování je směrodatné otlačení v měkčím ze spojovaných materiálů. Díry pro kolíky, drážky per a profilů, způsobují v hřídeli vrubový účinek. Proto tyto průřezy je nutno vždy kontrolovat na tvarovou pevnost.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké rozlišujeme druhy spojení náboje s hřídelem? 2. K jakému spojení se používají drážková spojení? 3. Kdy se používají hřídele s jemným a evolventním drážkováním? 4. Jak se zajišťuje spojení s hřídele a rozpěrné prstencové spojky?

5. Proč může polygonový hřídel přenášet větší kroutící moment než drážkový? 6. Jak lze vymezit axiální vůli náboje na hřídeli? 7. Kdy se používají opěrné kroužky pro vymezení axiální vůle?

-59-

2.2.1.1 KLÍNY A PERA Jsou vhodná pro přenos točivých momentů převážně stejného smyslu otáčení. Typické tvarové spoje pro spojky, ozubené kola a řemenice. Pro nepohyblivé spoje se používají těsná pera ČSN 02 2562–62 Pera těsná s mezními úchylkami šířky e7 nebo h9 (obr. 48), pro přenos menších momentů a krátkých nábojů i kotoučová pera ČSN 30 1385–52 Pera Woodruffova (obr. 49). Jejich výhodou je jednoduchá výroba, nevýhodou značné zeslabení hřídele drážkou. Dlouhá pera, tzv. výměnná ČSN 02 2570–62 Pera výměnná s dvěma přídržnými šrouby a ČSN 02 2575–62 Pera výměnná s jedním přídržným šroubem umožňují, při volbě odpovídajícího uložení spoje, osové posunutí náboje (obr. 50).Těsná a výměnná pera mají většinou zaoblená čela, výjimečně přímá. Rozměry per jsou v ČSN 02 2562–62, ČSN 30 1385–52, ČSN 02 2570–62, ČSN 02 2575– 62 a ve Strojnických tabulkách, přiřazení k hřídelům a nábojům včetně úchylek drážek v ČSN 02 2507–62 Pera a drážky. Přiřazení k hřídelům je k nalezení ve Strojnických tabulkách. Výhody: Nízké výrobní náklady, snadná montáž a demontáž a centrické usazení náboje. Nevýhody: Pro střídavě točivé momenty nepoužitelné; po otlačení drážek nebezpečí uvolnění spoje. Nezachycuje osové síly (nutné pojištění proti osovému posunutí).

SPSKS Obr. 48. Spoj těsným perem

Obr. 49. Spoj kotoučovým perem

Tab. 16. Výběr per v drážce v závislosti na požadovaném uloženi

Obr. 50. Spoj s výměnným perem

Výběr uložení Uložení pera v drážce hřídele a náboje vyplývá z tab. 16. Uložení náboje na hřídeli se doporučuje: pro průměr d < 30…………………………H7/j6, pro průměr d = 30 až 50 mm……………...H7/k6, pro průměr d > 50………………...H7/m6,.H7/j6,

-60-

Uložení posuvného náboje: H7/h6, H8/h7, H8/f7.

Označení těsné pero: Pero b e7 /h9) x h x l ČSN 02 2562, výměnné pero: Pero b x h x l ČSN 02 2570 (ČSN 02 2575), kotoučové pero: Pero s x d ČSN 30 1385.

Materiál Podle ČSN je materiál per 11 600 nebo 14 240

Výpočet Dovolená napětí jsou pro: neposuvný ocelový náboj pD = 100 až 120 MPa, neposuvný litinový náboj pD = 80 MPa, posuvný náboj pD = 10 až 20 MPa. Smykové napětí se zpravidla nekontroluje, protože je relativně malé. Pro přenos větších momentů možno použít dvě pera. Jejich uspořádání je buď symetrické (přesazené o 180°) nebo též nesymetrické (přesazeno o 120°). Poslední způsob je vhodný též pro přenos střídavých momentů. Při otáčkách nad 2000 min-1 převládá vyváženější symetrické uspořádání. Únosnost dvou per je teoreticky dvojnásobná, v praxi se však uvažuje jenom 1,5x větší než jednoho pera.

SPSKS

Pera a spojení perem - používáme u spojovaných součástí zajištěných proti osovému posunutí, nebo mají-li se součásti po hřídeli posunovat - pera vodící a pera těsná – vyrobeny z čisté tažené klínové oceli; drážky pro pera se zhotovují s tolerancemi - pera vodící – další lícování není třeba, používají se hlavně pro nalícování součástí přesouvaných po hřídeli; v drážce jsou pojištěny jedním nebo dvěma šrouby se zapuštěnými válcovými hlavami - pera těsná – mají boční plochy lícovány; používáme je k přenášení velkých sil - pera kotoučová – používáme k zajištění součástí proti otáčení na hřídeli; mají tvar poloviny kotouče; lze je snadno vyrobit; nevýhodou je, že hřídel je drážkou značně zeslaben Spoje těsným perem Přenášejí kroutící moment z hřídele na náboj nebo naopak. Rovnoběžné boční plochy pera dosedají do drážky hřídele a náboje, působí jako tvarový „unášeč“ (obr. 51). Mezi hřbetem těsného pera a dnem drážky náboje je vůle. Pro rázové zatížení není spoj těsným perem vhodný, neboť přitom se pero a boční plochy drážky plasticky deformují a mohou se zničit. U ozubených kol, která se musejí osově posouvat po hřídeli, jsou pera volbou vhodných tolerancí uložena kluzně, pak se jedná o tzv. pero vodící.

-61-

Obr. 51. Spoj těsným perem

Obr. 52. Tvary těsných per

Tvary těsných per (obr. 52.) Tvar A má zaoblené čelné plochy. Takováto pera se vsazují do drážek na hřídeli, které jsou vyrobeny pomocí drážkovacích fréz na pera. Délka drážky odpovídá délce pera. Tvar B má rovné čelné plochy. K tomu potřebná drážka v hřídeli je vyrobena kotoučovou nebo stopkovou frézou. Tvar C je podobný tvaru A, má ale navíc díru (popř. 2) pro přídržní šroub, kterým je možno upevnit pero do drážky.

SPSKS Obr. 53. Profil drážkového hřídele

Obr. 54. Spoj drážkového hřídele

Následují odborné texty související se spojením čepy zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd.

SPOJE PERY A KLÍNY (SPOJE NA PERA A KLÍNY) Charakteristika (konstrukční znaky) Jednoduše rozebíratelná spojení pomocí per, příp. klínů hranolového tvaru (u klínů se skosením na jedné z ploch) vložených do podélných vybrání nebo (výjimečně) příčných otvorů odpovídajícího tvaru ve spojovaných částech. Poznámky:

-62-

–

Spoje s pery a klíny se používají téměř výhradně s umístěním na válcové ploše. Dále bude proto uvažován pouze tento případ. – Spoje s pery a klíny bývají většinou používány v kombinaci s jinými druhy spojů a uložení tak, aby bylo optimálně docíleno všech požadovaných vlastností výsledného spoje (vzájemná axiální poloha, souosost spojovaných částí apod.). – Vzhledem k tomu, že přilehlé zóny (partie) částí strojů spoj. pery a klíny (jakož i kombinace s jinými druhy spojů) bývají pro charakter své stavební struktury obtížně deformačně řešitelné, je žádoucí umísťovat tyto spoje tak, aby jejich zatížení bylo staticky určité (nebo v krajním případě řešitelné za přijatelného zjednodušení).

Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti) Typická provedení: Spoje perem (včetně způsobů zajištění spoj. částí proti posuvu)

SPSKS Spoje podélnými klíny (úkos na "horní" ploše klínu 1:100)

Spoje příčnými klíny (úkos na "boční" ploše klínu 1:25 až 1:10)

-63-

Spoj se stavěcím klínem

Poznámky: –

SPSKS

Spoj s podélným klínem používaný pro spojení náboje a hřídele se liší od analogického spoje s perem především v tom, že přenáší zatížení třecí silou vyvozenou zaražením klínu do drážky s opačným smyslem úkosu (příp. na druhý klín, takže dna obou drážek pak mohou být bez úkosu). Boční plochy klínu v drážce, příp. jiné opěrné plochy slouží pouze jako pojištění proti proklouznutí. Spoje s podélnými klíny jsou proto vhodné pro přenos velkých, a to i rázových zatížení. Jejich zásadními nevýhodami však je, že:

normálovou sílu (tlak) vzniklou zaražením klínu a tudíž ani tečné třecí síly zajišťující únosnost spoje nelze přesně zjistit. – vlivem zaražení klínu se ve spoji vymezují příčné vůle pouze v jednom smyslu, což je u jejich nejčastějšího použití mezi nábojem (řemenice, oz. kola, setrvačníku, apod.) a hřídelem značně na závadu.

–

Spoje s podélnými klíny se proto již prakticky nepoužívají a pokud výjimečně ano, tak pro uvedenou nejistotu se stejně jejich "boční" plochy obvykle navrhují a kontrolují pro přenos plného zatížení, tj. jako u spoje s pery. V doporučené literatuře jsou uvedeny podrobné informace pro jejich řešení. –

Spoje s příčnými klíny se používaly zejména u velkých klikových mechanizmů, setrvačníků, táhel apod. V současné době se již používají zřídka. V doporučené literatuře jsou uvedeny podrobné informace pro jejich řešení. – Dále budou uvažovány pouze běžně používané spoje s podélnými pery. -64-

Tvary, rozměry, tolerance a uložení: Druhy (dle ČSN) (nenormalizovaná pera se prakticky nepoužívají) těsná - pro spoje neposuvné zaoblená

(ČSN 02 2562)

a)

s rovnými čely (zřídka)

(ČSN 30 1382)

b)

výměnná a volná - pro spoje posuvné zaoblená ("výměnná")

(ČSN 02 2570) 2 šr. c) (ČSN 02 2575) 1 šr. d)

s rovnými čely ("volná") (ČSN 30 1383) 1 šr. e) (ČSN 30 1383) 2 šr. f)

úsečové (Woodruffovo) - pro spoje neposuvné (jen d =< 50 mm)

g)

(ČSN 30 1385)

SPSKS Ostatní tvary (drážek, příp. závitových otvorů, apod.) – podle příslušné ČSN

Rozměry –

Podle příslušné ČSN pro průměr d: (6 ÷ 500) mm I : v přiřazených řadách

–

Přiřazení průřezu per k rozměrům hřídele dle ČSN

(ČSN 02 2507, ČSN 30 1036, ČSN 30 1037) Pozor: přiřazení průřezu neznamená, že není nutné pero navrhovat a kontrolovat dle zatížení, rozdíly jsou ve stykové délce pera!

-65-

Délka pera obvykle: –

1 ÷ 1,5d pro součásti z oceli

–

1,5 ÷ 2,5d pro součásti z litiny

Tolerance a uložení Válcová část spoje: –neposuvné spoje (běžně): H8/h7 (příp. H8/k7) (při vyšších nárocích: přechodné H8/m7, H8/p7) (při vysokých nárocích: nalisované H7/r6, H7/t6) –

posuvné spoje: H8/f7 (příp. H8/h7)

Drážky v hřídeli: v hřídeli v náboji pro pera těsná, výměnná a volná: P9

P9

pro pera úsečová (Woodruffova): P9

N8

Materiály

SPSKS

běžně

: oceli 11 600

Ostatní tolerance dle příslušné ČSN

pro větší zatížení : oceli 14 240

Poznámky: –

Orientační statické pevnostní hodnoty (pro dynam. zatížení x ~ 1/2 ):

Hodnoty lze odvodit jako u spojení s čepy (bez redukce dovol. hodnot měrných tlaků pro válcové plochy) materiál pera - např.:

11600

spt @

600 MPa

skt @ (0,6 - 0,8) spt

360 MPa

sD @ skt / ( [1,5 ÷] 2,5 )

140 (÷ 240) MPa

-66-

tD @ 0,6 sD

80 (÷ 140) MPa

pD @ sD

140 (÷ 240) MPa

pD poh @ 0,2 sD

30 (÷ 50) MPa

mater. spoj. částí např.:

422425 (šedá litina)

11500

pD @ sD

50 (÷ 60) MPa

120 (÷ 200) MPa

pD poh @ 0,2 sD

10 (÷ 15) MPa

30 (÷ 50) MPa

– –

Pro šedou litinu (např. 422425): σPt ≅ 250 MPa => σD ≅ σPt / ( 4 ÷ 5 ) = 50 (÷ 60) MPa Pro ocel 11 500 : σPt ≅ 500 MPa => σD ≅ σkt / ( 1,5 ÷ 2,5 ) = 0,6 . σPt / ( 1,5 ÷ 2,5) = 120 (÷ 200) MPa – Pozor, pro dovolené měrné tlaky ve spoji pDsp = pDmin (tzn. je vždy rozhodující pD méně kvalitního materiálu ve dvojicích čep - spojovaná část !)

Vlastnosti (vnější vlastnosti) Komplexní užitné vlastnosti: Provoz, údržba, opravy: – – – – –

Přenos sil kolmých na podélnou osu pera; pokud není žádoucí posuv podél osy pera, nutné spoj zajistit jiným způsobem (viz. TYPICKÁ PROVEDENÍ). Při malých axiálních silách lze též použít uložení válcových ploch s přesahem. Vůle ve spoji jsou na závadu při dynamickém zatěžování. Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle jednoduchá. Spolehlivost proti uvolnění rovněž závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle vysoká. Spolehlivost proti poruše je dána především přilehlými zónami (partiemi) spojovaných částí, v nichž mají drážky pro pero nepříznivé vrubové účinky.

SPSKS

Výroba, montáž – –

Výroba drážek vyžaduje speciální nářadí, pera se nakupují. Při montáži nutné zajistit, příp. omezit axiální posuv spojovaných částí.

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů: –

Velmi rychlý návrh, relativně pomalá výroba (pokud není speciální nářadí), nevhodná pro sériovější výrobu. – Rychlost montáže a demontáže závisí na celkovém konstrukčním provedení spoje, obvykle rychlé.

Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů:

-67-

– – –

Středně nákladný spoj. Provozní náklady nulové. Náklady na demontáž relativně malé.

Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností) Master stavební struktury (pro typické provedení)

Hlediska – únosnost a pevnost (pro typické provedení)

SPSKS

Poznámky: –

U spoje s více pery (max. 3) nelze vzhledem k nepřesnosti výroby předpokládat rovnoměrné zatížení všech per, což se v tomto případě vyjadřuje fiktivním snížením počtu per n pomocí součinitele kef (druhou možností by bylo snížení dovolených napětí jako např. u měrného tlaku na závity, příp. čepu na válcové uložení):

počet per 1 kef

2

3

1,0 ~ 0,6 ~ 0,5

–

Příčný průřez normalizovaných per (b x h) je stanoven tak, že spoj, který vyhoví z hlediska měrných tlaků mezi perem a spojovanými částmi, vyhovuje i z hlediska smykového napětí v peru (normalizovaná pera tudíž není již nutné kontrolovat na smykové napětí). – Rozdíly ve vzdálenostech působišť síly F na pero od osy hřídele (0,45d ÷ 0,5d) uváděné v literatuře, jsou vzhledem k celkovému zjednodušení výpočtu, rozptylu materiálových konstant, nepřesnosti zatížení Mt a rozptylu volené bezpečnosti naprosto nepodstatné (~ 10%) a je proto uvažován nejjednodušší případ s 0,5d. – Pozor, přilehlé průřezy spojovaných částí (hřídele příp. i náboje) mohou být namáhány nejen od zatížení přenášeného spojem. Proto musí být jejich kontroly provedeny při komplexní kontrole těchto součástí, nikoli při řešení spoje (jak je v literatuře často uváděno)! Při návrhu a kontrole zeslabeného průřezu hřídele se jako základní def pro výpočet napětí potom uvažuje: def = d(skut) - t

-68-

Měrný tlak ve styku pera s hřídelem a nábojem obecně pro np per:

hst = h - 2a kde:

SPSKS

Fcelk … součet všech obvodových sil na jednotlivá péra od Mt Scelkef … celková efektivní styková plocha všech per kef … součinitel efektivního počtu nesoucích per (viz tab.) np … počet per hst, lst … styková výška, s šířka pera a … sražení pera Poznámky: –

Větší hloubka drážky v hřídeli (t) než v náboji (t1) dle ČSN není v rozporu s výpočtem měrného tlaku na shodných stykových výškách pera s hřídelem (hst / 2) a nábojem (hst / 2), neboť t, t1 je měřeno v ose pera, zatímco h / 2 na jeho bocích.

-69-

– – – –

V praxi se obvykle uvažuje hst = h, tj. zanedbává se sražení pera. Při návrhu spoje obvykle: Mt(max) = Kdyn . Mt => materiál, rozměry. Při kontrole spoje obvykle: bezpečnost <= Mt(max), materiál, rozměry. Orientačně lze uvažovat Kdyn = {1, 2 }.

Opakování a prohloubení znalostí 1.Jaké druhy těsných per rozlišujeme? 2.Jak přenáší těsné pero kroutící moment? 3. Proč není zajištění kola na hřídeli perem vhodné pro rázové namáhání?

2.2.1.2 SPOJ DRÁŽKOVOU HŘÍDELÍ Spoj drážkovou hřídelí se používá pro vysoce namáhané unášecí spoje, např. u převodových hřídelí obráběcích strojů (obr. 53). Podle velikosti přenositelného točivého momentu je pro drážkové hřídele normovaná lehká, střední a těžká řada, přičemž počet a hloubka drážek s rostoucím točivým momentem vzrůstá. Hřídel je opatřen sudým počtem drážek, které přenášejí točivý moment rovnoměrně rozdělený po obvodu. Díly spoje jsou při vhodných tolerancích axiálně vůči sobě posouvatelné. Proto se používají také u předlohových kol (obr.54). Vystředění náboje na hřídeli je dosaženo středěním na vnitřní průměr, u rázového namáhání také středěním na boky. Profily Profilové spojení hřídele s nábojem se používá pro přenos velkých střídavých a nárazových točivých momentů, kde se nevystačí s těsnými a výměnnými pery. Příkladem jsou střední díly kloubových hřídelů nebo posuvná ozubená kola v řazených převodovkách. Výhody: Nižší tlaky nežli u perových spojů; menší opotřebování u posuvných spojů. Nevýhody: Vyšší výrobní náklady a větší vrubový součinitel oproti poetovým spojům (βτ ∼ 1,9 až 2,8). Provedení:

SPSKS

Rovnoboké drážkování, evolventní drážkování, jemné drážkování a polygonové profily.

Následují odborné texty související se spojením čepy zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd. SPOJE DRÁŽKAMI (drážkové spoje)

-70-

Charakteristika (konstrukční znaky) Jednoduše rozebíratelná spojení pomocí spoluzabírajících přímých drážek (zubů, per) vytvořených na spojovaných částech. Poznámky:

Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti) Typická provedení (včetně způsobu pojištění proti osovému posuvu)

SPSKS Tvary, rozměry a tolerance

I. Rovnoboké drážkování (ČSN 01 4942) Základní tvar příčného řezu

-71-

Druhy dle počtu a rozměru drážek /per – – –

řada lehká řada střední řada těžká

Poznámka: Všechny tři řady mají dle uvedené ČSN shodné odstupňování d.

Druhy (provedení) dle způsobu středění a výroby: – a) A středění na vnitřním d při výr. odvalováním – b) B středění na vnějším D nebo bocích – c) C středění na vnitřním d

SPSKS

Rozměry Podle ČSN (01 4942) jmenovitý d: (23 ÷ 112) mm (v řadě), styková délka lst ~ (1 ÷ 1,5) dstř

Tolerance a uložení Podle ČSN (01 4949)

II. Evolventní drážkování (ČSN 01 4952 - 01 4955) Základní tvar příčného řezu

-72-

Ozubení tvar boků drážek : evolventní úhel záběru : a = 30° moduly : m = (0,5 ÷ 10) mm korekce kladná i záporná : xm <> 0 počty zubů : z = 6 ÷ 20

SPSKS

Druhy dle způsobu středění a tvaru (provedení) drážek: – – –

středění na bocích zubů, dna plochá středění na bocích zubů, dna oblá středění na hlavové ploše zubů hřídele, dna plochá

Poznámka: Běžně se používá středění na bocích zubů; středění na hlavové ploše zubů hřídele (vnější středění) se používá jen při požadavcích na přesnost souososti hřídele a náboje.

Rozměry Podle ČSN (01 4952 - 01 4955), jmenovitý Dd = (4 ÷ 500) mm, styková délka lst ~ (1 ÷ 1,5) dstř

Tolerance a uložení Podle ČSN (01 4953)

III. Jemné drážkování Základní tvary příčného řezu

-73-

Ozubení Pro Da1 <= 60mm tvar boků zubů na hřídeli i náboji : rovinný sklon boků drážek :

b = 60°

Pro Da1 > 60mm tvar boků zubů na hřídeli :

evolventní

modul :

m = 1,5 mm

úhel záběru :

a = 27° 30'

SPSKS

tvar boků zubů v náboji :

rovinný

sklon boků drážek (podle Da1 ) : b @ 60° (57° ÷ 63° ) Počty zubů :

z = 28 ÷ 78

Rozměry Podle ČSN (01 4933) jmenovitý Da1 = (8 ÷ 120) mm, styková délka lst ~ (1 ÷ 1,5) dstř

Tolerance a uložení Podle ČSN (01 4933)

Materiál Kvalitní oceli pro obě spojované části : min. pevnost v tlaku : sPt >= 500 MPa min. tvrdost boků pro posuvné spoje : HRC >= 55

-74-

Poznámky Orientační stat. pevnostní hodnoty (pro dynam. zatížení ~ x 1/2): mater. spoj. částí:

netvrzený

tvrzený

spt min @

500 MPa

500 MPa

skt @ (0,6 - 0,8) spt

(x 0,6) 300 MPa

(x 0,8) 400 MPa

sD @ skt / ( [1,5 ÷] 2,5 )

120 (÷ 200) MPa

160 (÷ 270) MPa

tDDr @ 0,6 sD

80 (÷ 120) MPa

100 (÷ 160) MPa

pDDr @ 0,5 pD @ 0,5 sD

60 (÷ 100) MPa

80 (÷ 140) MPa

pDDr poh @ ( 1 / 3 ) pDDr

20 (÷ 35) MPa

30 (÷ 50) MPa

(-)

15 (÷ 25) MPa

pDDr poh zat @ ( 1 / 5 ) pDDr

Základní vliv drážkování vyjadřuje snížení pD pro všechny druhy drážkování, u nichž je pak ještě dále rozlišeno v závislosti na přesnosti výroby % drážek, které vnější spoje přenášejí.

SPSKS

Vlastnosti (vnější vlastnosti)

Rovnoboké a evolventní drážkování

Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy - Přenos vysokých točivých momentů při střídavém i rázovém zatížení, vůle v drážkách však mohou být na závadu. – Požadavky na přesnou souosost nutné zajistit buď (dražším) druhem ozubení, nebo jiným způsobem středění. – Vhodnost pro axiální posun spojovaných částí bez zatížení i při zatížení točivým momentem, jinak nutné axiálně zajistit. – Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v ax. směru, obvykle jednoduchá. – Spolehlivost proti poruše (zejména při dynam. namáhání) je nepříznivě ovlivňována vrubovými účinky drážek a jejich výběhů.

Výroba, montáž – –

Výroba vyžaduje speciální nářadí a strojní vybavení. Montáž relativně jednoduchá. -75-

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů – –

Rychlý návrh (s využitím tabulkových údajů v ČSN) Výroba relativně rychlá jen při vhodném vybavení, montáž a demontáž rychlá.

Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů – – –

Nákladný spoj, ekonomický pouze při sériové výrobě, pak ale hospodárnější než spoje s pery, apod. Provozní náklady u přesuvných spojů dány pouze mazáním, jinak nulové. Náklady na demontáž minimální.

III. Jemné drážkování

SPSKS

Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy – – – –

Přenos točivých momentů, oproti spojům s pery menší potřebná délka spoje při témže zatížení. Nutné zajistit proti axiálnímu posuvu spojovaných částí. Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle jednoduchá. Spolehlivost proti poruše je negativně ovlivňována vrubovými účinky drážek a jejich výběhu, zeslabení hřídele je však menší než u rovnobokého a evolventního drážkování.

Výroba, montáž –

Jako u rovnobokého a evolventního drážkování.

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů

-76-

Jako u rovnobokého a evolventního drážkování.

Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů Jako u rovnobokého a evolventního drážkování.

Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností). Master stavební struktury

SPSKS Styková výška: hst = h - ( se + si ), kde se,si ... sražení na hlavách vnějších a vnitřních zubů. Styková délka: lst

Hlediska - únosnost a pevnost Poznámky: –

–

Vzhledem k nepřesnostem výroby a montáže nelze zaručit rovnoměrné zatížení všech spoluzabírajících párů zubů (jak po obvodu, tak po šířce). To se při výpočtu vyjadřuje fiktivním snížením počtu drážek (zubů, per) pomocí součinitele kef (příp. někdy snížením dovolených hodnot zatížení uváděných v tabulkách). Se zřetelem k dosažitelné přesnosti výroby jednotlivých druhů drážkování lze orientačně uvažovat (nezávisle na počtu drážek): -77-

druh drážkování

kef

rovnoboké (nejpřesnější)

0,75

evolventní

0,50 (÷0,75)

jemné

0,50

–

Příčný průřez zubů (per) drážkovaných spojů je stanoven tak, že spoj, který vyhoví z hlediska měrných tlaků ve styku, vyhovuje i z hledisek ohybového a smykového napětí v patách zubů (per).

–

Pozor, přilehlé průřezy spojovaných částí (hřídele, příp. i náboje) mohou být namáhány nejen od zatížení přenášeného spojem. Proto musí být jejich kontrola provedena při komplexní kontrole těchto částí nikoli při řešení spoje (jak je často v literatuře doporučováno), může to vést k hrubé chybě! Při návrhu a kontrole zeslabeného hřídele se jako základní def pro výpočty napětí potom uvažuje:

def = d(min)

SPSKS Při dynamickém namáhání řezu je navíc nutné zahrnout i vliv příslušných vrubových součinitelů a dalších "únavových" faktorů.

Měrný tlak ve styku zubů (per) Poznámka: Výpočet měrného tlaku ve styku zubů vychází u všech drážkových spojů z téhož (elementárního) principu:

kde: Fcelk … součet všech obvodových sil na jednotlivé páry zubů od Mt -78-

Scelkef … celková efektivní styková plocha všech párů zubů kef … součinitel efektivního počtu nesoucích (párů) zubů (viz tab.) nDR … počet drážek (zubů, per) dstř … střední průměr procházející středy stykových výšek párů zubů hst, lst … styková výška a délka drážek

Pro jednotlivé druhy drážkování se však historickým vývojem ustálily rozdílně upravené zjednodušené formy výpočtu:

I. Rovnoboké drážkování

kde:

SPSKS

sD = se … sražení vnějších zubů na D sd = si … sražení vnitřních zubů na d

f' [mm/lst ] … ef. styková plocha na 1 mm délky lst

II. Evolventní drážkování

kde: s1 = se … sražení vnějších zubů na Da1 s2 = si … sražení vnitřních zubů na Da2 f' [mm/lst ] … ef. styková plocha na 1 mm délky lst

-79-

III. Jemné drážkování

y(m) = 0,8 ÷ 1 … součinitel závislý na modulu m (přesněji v tabulkách)

Poznámky: – – –

Při návrhu spoje obvykle: Mt(max) = Kdyn . Mt => materiál, rozměr. Při kontrole spoje obvykle: bezpečnost <= Mt(max), materiál, rozměr. Orientačně lze uvažovat Kdyn = { 1, 2 }.

SPOJE POLYGONY (POLYGONOVÉ SPOJE) Charakteristika (konstrukční znaky)

SPSKS

Jednoduše rozebíratelná spojení pomocí spoluzabírajících profilů víceúhelníkového tvaru vytvořených na spojovaných částech v určité délce. Poznámky: – –

Polygonové spoje se používají téměř výhradně pro spojení hřídelů s náboji (pák, kol a pod.). Dále bude proto uvažován pouze tento případ. Polygonové spoje musí být většinou použity v kombinaci s dalšími druhy spojů (příp. uložení), aby bylo optimálně docíleno všech požadovaných vlastností spoje (vzájemná axiální poloha spojovaných částí a pod.).

Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti)

I Polygonové spoje s rovnými boky (hranolové spoje) Typické provedení

-80-

Tvary a způsob výroby Čtyřboké hranoly (čtyřhrany) Vyrábějí se odfrézováním válcových úsečí hřídelů a pomocí protahovacích trnů příslušného tvaru v náboji.

SPSKS Čtyřboké jehlany Varianta čtyřhranu s odfrézováním ploch na kuželi (s kuželovitostí 1:20) a tvářením pomocí odpovídajícího trnu v náboji.

Materiály Dány požadavky na spojované části (spíše běžné materiály).

II Polygonové spoje se zaoblenými boky (spoje s k–profily) Typické provedení

-81-

Tvary a zpusob výroby – – –

Trojboký profil se zaoblenými hranami a) Trojboký profil s válcovými přechody b) Čtyřboký profil s válcovými přechody c)

SPSKS Vyrábějí se na speciálních brousicích strojích (vnější i vnitřní tvary).

Materiály Určeny požadavky na spojované části (spíše kvalitnější, nutná vhodnost pro broušení).

Vlastnosti (vnější vlastnosti)

I Polygonové spoje s rovnými boky Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy – –

Přenos malých točivých momentů při malých rychlostech otáčení. Malá přesnost středění:

-82-

- u čtyřhranů vůle - u čtyřbokých jehlanů vůle vymezeny – Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle jednoduchá.

Výroba, montáž – –

Relativně jednoduchá výroba u čtyřhranů, u čtyřbokých jehlanů obtížnější (zejména vnitřní část). Jednoduchá montáž u obou typů.

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů –

Rychlý návrh, výroba, montáž i demontáž.

Komplexní nákladové vlastnosti

SPSKS

Hospodárnost procesů – – –

Malé náklady na návrh, výrobu i montáž. Náklady na provoz nulové. Náklady na demontáž minimální.

II Polygonové spoje se zaoblenými boky Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy – – – –

Přenos velkých i proměnlivých točivých momentů i při vysokých rychlostech otáčení. Profily s válcovými přechody (b) a (c) vhodné i pro posuvné uložení náboje. Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v ax. směru, obvykle jednoduchá. Velká spolehlivost proti poruše vlivem minimálního zeslabení hřídele a minimálních vrubových účinků (zvýšení meze únavy až o 35% oproti spojení pery a klíny).

Výroba, montáž -83-

– –

Požadavek výroby na speciálních brousících strojích snižuje jejich přednosti a využití. Jednoduchá montáž.

Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů – –

Rychlý návrh (s využitím potřebných podkladů). Výroba relativně rychlá jen při vhodném vybavení, montáž a demontáž rychlá.

Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů – – –

Nákladný spoj, ekonomický pouze při sériové výrobě, pak ale hospodárnější než spoje drážkami, apod. Provozní náklady u přesuvných spojů dány pouze mazáním, jinak nulové. Náklady na demontáž minimální.

SPSKS

Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností)

Master stavební struktury

-84-

Hlediska - únosnost a pevnost Poznámky: –

–

–

Vzhledem k nepřesnostem výroby a montáže nelze zaručit (analogicky jako u ostatních spojů) rovnoměrné zatížení všech stykových ploch (jak po obvodu, tak po šířce). To lze při řešení vyjádřit fiktivním snížením počtu nosných ploch pomocí součinitele kef (případně někdy též snížením dovolených hodnot zatížení uváděných v tabulkách). Orientačně lze uvažovat:

přesnost lícování

lst/a

kef

vysoká

=< 1

0,75

nízká >1 0,5 – Pozor, přilehlé průřezy spojovaných částí (hřídele, příp. i náboje) mohou být namáhány nejen od zatížení přenášeného spojem. Proto musí být jejich kontrola provedena při komplexní kontrole těchto částí, nikoli při řešení spoje (jak je často v literatuře doporučováno); může to vést k hrubé chybě! – Při návrhu a kontrole zeslabeného hřídele se jako základní def pro výpočty napětí potom uvažuje průměr kružnice vepsané do příslušného profilu:

SPSKS

–

Při dynamicky namáhaném řezu je navíc nutné zahrnout i vliv příslušných vrubových součinitelů a dalších “únavových” faktorů.

Měřený tlak ve stykových plochách

-85-

kde: Fi … výslednice (efektivního) měrného tlaku na bok profilu kef … součinitel ef. počtu nesoucích boků (viz tab.) nb … počet boků profilu bst,lst … styková šířka a délka boků profilu kde:

SPSKS

a … charakteristický rozměr profilu f @ 0,1a

pD … dovolený měrný tlak na bocích (shodný jako u drážkových spojů) Poznámky: – – –

Při návrhu spoje obvykle: Mt(max)= Kdyn. Mt => materiál, rozměry, Při kontrole spoje obvykle: bezpečnost <= Mt(max), materiál, rozměry, Orientačně lze uvažovat Kdyn = { 1, 2 }.

2.2.2

PŘEDEPJATÉ SPOJE S TVAROVÝM STYKEM

Princip Při přenosu momentu tvarovým předepjatým spojem se při narůstání momentu z nulové hodnoty uplatňují nejprve třecí síly. Vsunutý klín napíná materiál hřídele i dílu obepínajícího hřídel (náboje) tlakem v místě klínu a v místě protilehlého styku hřídele s nábojem Po překročení třecí síly se moment přenáší převážně tlakovými silami mezi klínem a stěnami drážky a stejně velkými silami doplňujícími dvojici sil vytvářející moment s osou mimo osu hřídele.

-86-

Předepjaté tvarové spoje přenášejí točivý moment mezi hřídelem a nábojem třením s částečným přídavným tvarovým stykem. Příklady: polygonové nalisované spoje (kap. 1.5.5), kuželové spoje s těsným perem (kap. 1.5.4) a spoje s podélnými klíny.

2.2.2.1 SPOJE S PODÉLNÝMI KLÍNY Klínový spoj vznikne buď zaražením klínu do drážky v náboji a hřídeli (obr. 51), nebo naražením náboje na klín vsazený do drážky v hřídeli (obr. 52). Tvar klínů Klíny se liší od per tím, že na hřbetě mají úkos 1:100 shodný s úkosem dna drážky v náboji. Stykové plochy tangenciálních klínů mají úkos 1:60 až 1:100. Tvary průřezů klínů jsou na obr. 53. Nejpoužívanější je drážkový klín (s nosem a bez nosu), jimž je možno přenášet velké točivé momenty; při překročení třecího momentu působí přídavně tvarově. Pro přenos rázových momentů v obou smyslech je vhodný tangenciální klín obr. 54).

SPSKS

Obr. 51. Spojení s drážkovým klínem s nosem

Obr. 52 Spojení vsazeným klínem

Obr. 53 Tvary průřezů klínů a) drážkový klín, b) ploský klín, c) kulatý klín (kuželový kolík), d) dutý (třecí) klín

Obr. 54. Spojení tangenciálním klínem

Normalizace. Většina podélných klínů je normalizovaná v ČSN 02 2503–62 Klíny drážkové a drážky. Přiřazení k hřídelům, až ČSN 02 2532–62 Klíny ploské s nosem a ve Strojnických tabulkách. Materiál: ocel 11 600 Lícování: šířka drážky v hřídeli i náboji P9, šířka klínu c11. Použitelnost

-87-

Klínové spoje se používají tam, kde nejsou vysoké požadavky na přesnost tj. souosovost spojovaných součástí, např. pro připojení řemenic, spojek, kol, bubnů a pák hřídelů. Použití je omezeno jen na nízké a střední otáčky, protože výstřednost mezi hřídelem a nábojem v důsledku jednostranného rozepření hřídele a náboje způsobuje házení. Vývojem moderních spojů hřídele s nábojem (např. tlakové spoje, spoje rozpěracími kroužky, polygonové profily) ztratily klínové spoje svůj dřívější význam.

Výhody. Snadná montáž a demontáž; znuvupoužitelnost klínů; spoj není třeba osově pojišťovat. Nevýhody. Poměrně vysoký vrubový účinek (βσ ∼ 1,8 až 2); nebezpečí deformace náboje z toho pramenící nevyváženost rozepřením hřídele a náboje. Výpočet. Ve Strojnických tabulkách.

2.2.3

SPOJE SE SILOVÝM STYKEM – SVĚRNÉ SPOJE

4.1.3.1 SVĚRNÉ SPOJE ŠROUBEM Náboje svěrných spojů jdou buď dělené, nebo jednostranně rozříznuté (obr. 55). Svěrné spoje se hodí pro přenos malých a středních točivých momentů. Umožňují při montáži posunutí i pootočení náboje na hřídeli. Dělené náboje dovolují upevnění kol na hřídeli, aniž by bylo nutno hřídel demontovat.

SPSKS Obr. 55. Svěrné spoje šroubem: a) s děleným nábojem; b) s rozříznutým nábojem

Uložení. Pro dělené náboje s menším přesahem: H8/n7, H8/p7 nebo H7/p6. Pro rozříznutá náboje přechodné uložení: H8/k7 nebo H7/j6, H7/k6. Dělený náboj 1. Výpočet průměru hřídele (obr. 55):

d=3

5.M k , τ Dk

kde τDk ∼ 15 až 40 MPa podle délky hřídele mezi podpěrami; pro větší délky nižší hodnoty. 2. Návrh náboje: (kap. 4.4 a tab. 14).

-88-

3. Silové poměry. Za předpokladu dostatečně tuhého náboje se stykový tlak rozdělí rovnoměrně po obvodu hřídele i po délce náboje (obr. 56). Jednostranně rozříznutý náboj je na obr. 57.

4.1.3.2 SVĚRNÝ SPOJ S KUŽELEM U kuželových spojů je náboj nalisován na kuželový konec hřídele s vrcholovým úhlem kužele α (obr. 58), nebo upnut vtažením upínacího nebo stahovacího pouzdra v libovolném místě hřídele (obr. 59). Jednoduché rukou rozebíratelné kuželové spoje nejsou samosvorné: tg α > 2µ, tlakové kuželové spoje jsou samosvorné: tg α ≤ 2µ.

Základní pojmy ČSN ISO 3040–94 Kótování a tolerování. Kužele, ČSN 01 4275–81 ZPZ. Kužele a kuželová spojení. Pojmy a definice a ve Strojnických tabulkách. Kuželovitost:C = 1 : x = (D – d)/l = 2. tg (α/2). Sklon kužele tg (α/2) = (D – d)/(2.l).

SPSKS Obr. 56. Silově poměry ve svěrném spoji s děleným nábojem

Obr. 57. Jednostranně rozříznutý náboj c) rozměry, b) náhradní systém (schéma)

Obr. 57. Jednostranně rozříznutý náboj c) rozměry, b) náhradní systém (schéma)

-89-

c)

Obr. 58. Kuželový spoj náboje s koncem hřídele sila vyvolaná maticí, b) svěrná sila vyvolaná

Obr. 59. Svěrný spoj kuželovým pouzdrem a upínací maticí

Kuželovitosti jsou normalizované v ČSN 01 0204–78 ZPZ. Normální kuželovitosti a úhly kuželů a ve Strojnických tabulkách. Použitelnost. Kuželové spoje se používají pro upevnění nábojů na koncích hřídelů, nástrojů (vrtáků, výstružníků, fréz) v pracovním vřetenu i pro upevnění valivých ložisek, malých kol (klínové řemenice, oběžná kola malých turbín) upínacími a stahovacími kuželovými pouzdry. a) Axiální sevření nábojů kol na koncích hřídelů ČSN 01 4992–74 Kuželové konce hřídelů s kuželovitostí 1:10. Základní rozměry se provádí šrouby (kap. 1,5,7, obr. 58). Kuželovitost je 1:10 (α = 5°54´34´´). Nejčastější uložení: H11/h11, H11/j11. b) Pro upevnění nástrojů v dutinách vřetene se používá kuželovitost 1:30 (α = 1°54´34´´), pro výhrubníky a výstružníky metrický kužel 1:20 (α = 2°51´52´´) nebo kužel Morse 1:19 až 1:20. Tyto spoje lze rozebrat ručně. Pro samosvorné upínaní nástrojů se používá strmý kužel ISO s kuželovitostí 3,5:12 (α = 16°35´40´´), nebo kužel pro upínání frézovacích hlav 3:10 (α = 17°03´42´´). Uložení jako ad a). c) U upínacích a stahovacích pouzder ČSN 02 3602–82 Valivá ložiska. Upínací a stahovací pouzdra. Technické předpisy až ČSN 02 3620–79 (zap. ISO 113/I:79) Valivá ložiska. Stahovací pouzdra. Hlavní rozměry jsou axiální sevření stahovací a upínací maticí (kap. 1,5,7, obr. 59). Kuželovitost 1:12 (α = 4°46´19´´), uložení pouzdra v náboji zpravidla H8/h8, uložení pouzdra na hřídeli H8/j7. Výhody. Samostředění hřídele a náboje; nastavitelnost svěrné síly; krátká dráha nalisování a uvolnění; snadná demontáž, přičemž u samosvorných spojů je obyčejně nutno použít stahováků. Nevýhody. Drahá výroba (broušení). Při velkých lisovacích silách a štíhlých kuželech je nebezpečí roztržení náboje. Výpočet. Třecí moment: M t = 0,5.π.Ds2 .l.p.v = k s .M k , kde Ds je střední průměr kužele: Ds(D + d)/2,

SPSKS

-90-

v – součinitel sevření (tab. 17) Tab. 17. Součinitel sevření Tab. 17. Součinitel sevření

Pro přenos momentu Mk je potřebný tlak ve spáře: p≥

2.k s .M k . π.Ds2 .l.v

K tomu potřebná lisovací síla: Fs = π.Ds.l.p.tg [(α/2) + φ], kde φ je třecí úhel; φ = arctg ν. Pro kuželovitost 1:10 bývá µ = 0,05 až 0,15. Síla pro uvolnění spoje: Fa1 = π.Ds.l.p.tg [φ – (α/2)].

SPSKS

4.1.3.3 SPOJE ROZPÍNACÍMI KROUŽKY

Rozpěrné spoje pomocí pružných kroužků jsou vlastně speciálním druhem kuželového spoje (podobný princip). U nich se do spáry vložené kuželové ocelové kroužky axiálním sevřením radiálně deformují natolik, že vytvoří silový spoj mezi hřídelem a nábojem. Podle velikosti přenášeného kroutícího (točivého) momentu použije se jeden nebo více upínacích elementů. (obr.59). Zabudování více než čtyř upínacích elementů však již nepřináší žádný užitek.

Obr. 59 Spoj hřídele s nábojem kuželovými upínacími kroužky a) pár upínacích kuželových kroužků (upínací element), b) spoj s jedním párem upínacích kroužků a s jedním upínacím šroubem, c) spoj s více upínacími elementy a s více upínacími šrouby

Upínací elementy Element se skládá ze dvou kroužků (obr. 59a), jeden s vnějším kuželem a druhý s vnitřním kuželem. Jejich sevření se provádí svěrnou silou jednoho šroubu (obr.59b), nebo více šroubů (obr. 59c). -91-

Úhel sklonu kužele α/2 = 16°42´; drsnost povrchu uložení kroužků Ra ≤ 1,6 µm; uložení spoje: − pro průměr hřídele d ≤ 38 mm; uložení hřídele H7/h6; uložení upínacího elementu E7/f7; − pro průměr hřídele d > 38 mm; uložení hřídele H7/h7, H9/h8, uložení upínacího Eleatu E8/e8. Existuje ještě řada dalších tvarů upínacích elementů a upínacích vložek. Použitelnost: Upínací kroužky zajišťují rychlé spojování hladkých hřídelů s náboji malých až největších kol, bubnů a pák. Umožňují přenos i velkých, rázových nebo střídavých točivých momentů. Úhel sklonu kuželů je dostatečně velký, aby nastala samosvornost. Když sevření pomine, vrátí se kroužky samy do původní polohy. Výhody: Snadná montáž i demontáž; možnost překlenutí i velkých vůlí v uložení; nastavitelnost náboje na hřídeli ve směru osovém i obvodovém; žádné zeslabení hřídele, proto malý vrubový účinek (βτ = 1,15 až 1,25). Nevýhody Potřeba většího prostoru pro rozpínací kroužky, dražší než jiné spoje. Praktický výpočet se provádí pomocí vzorců a tabulek v katalogu výrobce.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Popište princip spoje s tvarovým stykem! 2. Vysvětlete rozdíl mezi spojením perem a klínem! 3. Výhody a nevýhody spoje s klínem! 4. Jaké druhy spojů s klínem rozlišujeme?

5. Vysvětlete funkci svěrného spoje! 6. Popište druhy svěrných spojů a vysvětlete jejich funkci! 7. Co jsou spoje s rozpínacími kroužky a kde jich používáme?

SPSKS

4.1.3.4 TLAKOVÉ SPOJE (ČSN 01 4215–65 Tlaková spojení. Názvosloví). Princip

U tlakového spojení mají spojované součásti před montáží přesah. Uložení s přesahem způsobí ve stykové ploše hřídele (vnitřní část B) a náboje (vnější část A) tlak p, který umožní přenos osových sil a točivých momentů třením bez přídavného pojištění proti posuvu a pootočení (obr. 60).

Obr. 60. Válcově tlakové spojení a) před nalisováním, h) po nalisování A — vnější část, B — vnitřní část, T—spára, A1 — přesah vnější části, A — přesah vnitřní části, A — celkový přesah, p — tlak ve spáře

U tlakového spoje lisováním (obr. 61) se spoj provádí zpravidla hydraulickým lisem osovým zatlačením čepu do náboje při teplotě okolí. Rychlost lisování asi 2 mm.s-1. Pro zabránění zadření se ocelové součásti mažou. U součástí z různých materiálů je možno lisovat i za sucha. Zalisováním se povrchy vyhlazují a částečně se odstraní špičky nerovností -92-

povrchu. Konce hřídelů se před lisováním srazí do štíhlého kužele (5°na 2 až 5 mm) a u děr v náboji se provede zaoblení. Opakované uvolnění je možné, ale svěrná síla se snižuje o 15 až 20%. U tlakového spoje smrštěním* (obr 62) se vnější součást zahřeje, čímž vznikne mezi součástmi vůle a tyto se snadno mohou do sebe zasunout. Po zachlazení nastane ve spoji tlak vyvolaný přesahem. * Zmenšení rozměru při ochlazení dílu s vnitřní lícovanou plochou se nazývá smrštění. U tlakového spoje roztažením* (obr. 63) je pochod opačný a vůle pro nasunutí se získá ochlazením vnitřní součásti. Lze použít též kombinaci obou uvedených způsobů. Ohřátí vnější součásti se provádí do 100°C na vařičích, do 370°C v olejové lázni, do 700°C v komorové peci nebo v otevřeném plameni. Při demontáži vnitřních kroužků valivých ložisek se dává přednost indukčnímu ohřevu. Podchlazení vnitřních součástí se dělá suchým ledem – CO2 (– 70 až – 79°C) nebo kapalným vzduchem (– 190 až – 196°C). * Zvětšení rozměrů dílů s vnější lícovanou plochou zahřátím se nazývá roztažení.

SPSKS

Obr. 61: Nalisováni

Obr. 62: Lisovaný spoj smrštěním

Obr. 63: Lisovaný spoj ochlazením

Pravidla práce. Je třeba přesně dodržet předepsané teploty zahřátí, jinak může dojít ke změně struktury. Velké, neskladné díly je třeba zahřát rovnoměrně, jinak se deformují; díly citlivé na teplo, např. těsnění, je třeba před zahřáním odstranit. Tlakový spoj s hydraulickou montáží (obr. 64) se zpravidla používá při montáži a demontáži velkých rozměrů (DT ≥ 160 mm). Vysokotlakový olej se vhání do tlakové spáry a uvolní spoj (obr. 61a,b). Při vytlačování pouzdra ze slepé díry se dutina pouzdra naplní olejem a úderem na plunžr se pouzdro vylisuje. U slabě kuželovitých stykových ploch (kužel 1:30 až 1:50, u velkých délek i 1:80) lze tlakovým olejem natáhnout vnější součást na hřídel.

-93-

Obr. 64. Schéma hydraulické demontáže a) přívod tlakového oleje ( ∼ 10 MPa) vrtáním v hřídeli, b) vrtáním v náboji, c) vytlačování pouzdra ze slepého otvoru; I — plunžr

Schéma zařízení na hydraulické spojování a uvolňování lisovaných spojů je na obr. 65.

Princip Při spojování se hydraulický olej tlačí přes kruhovou drážku vytvořenou v hřídeli mezi lícované plochy. V lícované spáře se vytvoří olejový film, který od sebe součásti odděluje. Po montáži olej unikne a silový spoj je účinný. Při uvolňování oddělí spoj natlačený olej. Vnější díl je možno snadno stáhnout.

SPSKS Obr. 65: Hydraulické spojováni

Tlakové spoje se hodí k přenosu velkých střídavých a rázových osových sil a točivých momentů. Pro bezpečný silový styk je nutné přesné stanovení správného přesahu a výrobně – technické dodržení výpočtem určených tolerancí vnitřní a vnější součásti. Tlakové spoje jsou progresivním a ekonomicky výhodným spojem hřídele s nábojem. Šetří materiál i výrobní čas, součásti mají vysokou tvarovou pevnost a je možno je použít i u spojů zřídka rozebíraných. Konkrétní použití: − kroužky valivých ložisek; − náboje spojek a ozubená kola (při sériové výrobě) na hřídelích; − nákolky na železničních kolech; − ozubené věnce na kolech; − pouzdra kluzných ložisek ve skříních; − zděře na nábojích dělených kol atd. Výhody. Hřídele nejsou zeslabeny drážkami; přesné středění vnitřní a vnější součásti; jednoduchá a levná výroba. Nevýhody. Ve smontovaném stavu není možné provádět korektury vzájemného postavení náboje a hřídele.

-94-

Upozornění. U lisovaných spojů se vytvoří plná třecí síla až po několika hodinách. Proto nesmí být po spojení 2 až 24 hodin zatěžovány. 2.9 ZÁPADKOVÉ SPOJE U západkových spojů se ke spojení dvou dílů využívá elasticita materiálu, většinou plastu nebo pružinové oceli. Kulička, čelní výběžek nebo západka zabírá do výřezu druhého dílu a vytváří tvarové spojení (obr. 66). Alespoň jeden díl musí být z elastického materiálu, který lze při spojování nebo uvolňování zdeformovat o potřebnou velikost. Pružící západky se při spojování ohnou a opět se narovnají do výřezu. Rozlišujeme rozebíratelné a nerozebíratelné západkové spoje (obr. 67). U rozebíratelných spojů jsou výběžky v obou směrech skoseny. Nerozebíratelné spoje mají na vnitřní straně pravoúhlý výřez, který zabraňuje rozpojování dílů. Západkovými spoji s upevňovacími prvky se spojují plastové díly jako jsou vnější kryty, ozdobné doplňky apod. Shrnutí. Západkové spoje vznikají elastickou Obr. 66. Provedení západkových spojů deformací jednoho spojovaného dílu s následným rozebíratelným nebo nerozebíratelným zaklesnutím. Typickými upevňovacími prvky jsou svorky a spony, které potřebují malé spojovací síly a nevyžadují přesnou polohu (obr. 68).

SPSKS

Obr. 67. Druhy západkových spojů 1

Obr. 69. Tvary nýtů

Obr. 68. Západkové spoje s upevňujícími prvky

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaká pravidla je třeba dodržovat při ohřevu vnějšího dílu při nalisování zatepla? 2. V jakých případech se montuje vnější díl na podchlazený vnitřní díl? 3. Jak se demontuje kuželový lisovaný spoj pomocí hydraulického uvolnění? 4. Čím se liší rozebíratelné a nerozebíratelné západkové spoje?

-95-

0 NÝTOVÉ SPOJE 3.1 PRINCIP A POUŽITÍ Nýtováním vznikají nerozebíratelné spoje, které je možno podle požadavků, jež jsou na ně kladeny, rozdělovat na pevné, pevné a těsné a těsné spoje.

Pevné spoje mohou přenášet velké sily. Pevné a těsné spoje musejí současně přenášet velké síly a utěsňovat spojované díly. Těsné nýtové spoje musejí konstrukční díly spojovat a utěsňovat proti sobě. Ve strojírenství, stavbě mostů a výrobě vozidel bylo nýtování téměř úplně nahrazeno svařováním. Protože se ale při svařování vytvrzovatelných slitin hliníku změnou struktury snižuje pevnost, není možno v konstrukcích z lehkých kovů od nýtů upustit, zejména v leteckém průmyslu. Např. při výrobě jednoho letounu Airbus je potřeba 3,5 milionu nytů.

3.2 TVARY NÝTŮ Pro nýtování se používají různé druhy nýtů lišících se kromě materiálu, povrchové úpravy a stavu tepelného zpracování především tvarem (obr. 69).

SPSKS

Obr. 70. Ruční nýtování

Obr. 71. Nýtování za studena a za tepla

Většina nýtů je normalizována: Rozměry a výpočet uvádí ČSN 02 2031 – 55 Přesné nýty, ČSN 02 2391 – 87 Nýty s trnem a Strojnické tabulky.

3.3 MATERIÁLY NÝTŮ Jako materiál* na výrobu nýtů se používá ocel, měď, slitiny mědi a zinku a hliník, ve výjimečných případech také plasty a titan (tab. 19). Aby se zamezilo elektrochemické korozi a uvolnění spoje při zahřátí, měly by být nýty pokud možno ze stejného materiálu jako spojované díly. * Nýty by měly mít dostatečnou pevnost a být dobře tvářitelné.

-96-

Tab. 19. Materiály normalizovaných nýtů a jejich doplňkové číslice k číslu normy

3.4 TECHNOLOGIE NÝTOVÁNÍ Vytvarovaný nýt se skládá z opěrné hlavy, dříku a závěrné hlavy (obr. 70). Díly s vyvrtanými a zahloubenými dírami se k sobě přitlačí přítužníkem (zatahovákem). Napěchováním nýtu se díra zcela vyplní a poté se část dříku vystupující z díry vytvaruje jako závěrná hlava. Podle teploty při nýtování rozlišujeme nýtování za studena a nýtování za tepla.

Nýtování za studena*. Ocelové nýty do průměru asi 8 mm a nýty z jiných materiálů se tvarují v chladném stavu (obr. 71). Protože při nýtování za studena vzniká hlavami nýtu pouze malá normálová síla FN, je i třecí síla FR vytvořená mezi součástmi malá. Příčné síly FQ musejí být proto přenášeny průřezem nýtu, který je přitom namáhán na střih.

SPSKS

Nýtování za tepla*. Ocelové nýty od průměru asi 10 mm se tvarují při cca 1000°C. Při ochlazení dojde k smrštění dříku nýtu, takže nýt nevyplňuje celou díru. Délkovým smrštěním dříku nýtu se součásti přitlačí k sobě. Třecí síla FR mezi součástmi je velká (obr. 71). *

Nýtováním za studena vznikají tvarové spoje, nýtováním za tepla silové spoje.

Rotační nýtování. Při rotačním nýtováním tlačí nýtovací nástroj při kývavém rotačním pohybu kolem osy nýt do požadovaného tvaru hlavy (obr. 72). Další způsoby nýtovaných spojů Nýtování lisováním. Při nýtování lisováním se např. navrtaný nýt kusovníkem protlačí přes plech; plech na straně lisovnice se plasticky deformuje (obr. 73). Kuželem v lisovnici se zároveň vytvoří závěrná hlava. Materiál vyseknutý z plechu na straně lisovníku vyplní dutý dřík nýtu. Protože dřík na straně lisovnice není proražený, je spoj vysoce pevný a těsný. Tímto způsobem nýtování je možné spojovat ocelové plechy až do tloušťky 3 mm.

-97-

Obr. 72. Rotační nýtování

Obr. 73. Nýtování lisováním

Navrtané a trubkové nýty se používají především k nýtování nekovových materiálů, jako např. spojkových obložení. Hlavičkářem se přitom trubkovitý konec nýtu zalemuje (obr. 74). Jednostranně uzavírané nýty se používají tehdy, když je nýtované místo přístupné pouze z jedné strany. Mezi jednostranně uzavírané nýty patří nýty s trnem a rozpínací nýty. Nýty s trnem se skládají z vlastního nýtu a trnu, jehož hlava je kuželová, kulová nebo plochá (obr. 75). Nýtovacími kleštěmi se hlava nýtu trnu zatáhne do přečnívajícího konce dříku dutého nýtu. Tím se rozšíří do tvaru závěrné hlavy. Při dosažení maximálního přítlačného tlaku se trn nýtu na požadovaném místě přetrhne (odstřihne). Rozpínací nýty se skládají např. z dutého nýtu s rozříznutým koncem dříku a rýhovacího kolíku (obr. 76). Zaražením kolíku se konec nýtu roztáhne.

SPSKS Obr. 74. Trubkový nýt

Obr. 75. Nýt s trnem

Obr. 76. Rozpínací trn

3.5 ROZDĚLENÍ NÝTOVÝCH SPOJŮ Nýtové spoje se rozdělují na:

a) b) c) d)

pevné (konstrukční) — pro ocelové konstrukce všeho druhu; pevné a nepropustné (kotlové) — ve stavbě kotlů, tlakových nádob a potrubí; nepropustné — ve stavbě otevřených nádrží, komínů, sudů a potrubí; stehové — nesilové nýty pouze připevňující tenké plechy, např. pláště strojů, karosérií, letadel apod.

Konstrukční uspořádání nýtových spojů: a) b)

přesažné (přeplátované) s jednostřižnými nýty (obr. 77a); s dvěma stykovými deskami s dvojstřižnými nýty (obr. 77b), což je z pevnostního hlediska výhodnější.

-98-

Obr. 77. Základní druhy nýtových spojů přesazený spoj, b) spoj s dvěma stykovými deskami

Obr. 78. Výbušné nýty a) otevřené, b) zavřené

3.6 SPECIÁLNÍ ZPŮSOBY NÝTOVÁNÍ Kromě klasických druhů nýtů se z důvodů konstrukčních, ale i technologických a montážních používá celá řada dalších nýtů, nazývaných zvláštní nebo speciální. Jde o nýty: s vyšší smykovou pevnosti, nýty duté a poloduté, nýty přístupné jen z jedné strany, nýty s kompensátorem, nýty výbušné apod.

Nýty s vyšší smykovou pevností se používají při požadavku vyšší pevnosti spoje. Vyšší pevnost nýtu působí potíže při tváření závěrné hlavy. Na tváření závěrné hlavy použijeme nýty, které mají konec dříku vyvrtaný nebo tvarovaný. Závěrná hlava se vytvoří buď rozšířením konce nýtu, nebo tvářením zvláštního kroužku na tvarovém konci dříku. Nýty duté a poloduté se používají z důvodu snížení hmotnosti nýtu při dostatečné pevnosti trubkového nýtu.

SPSKS

Nýty přístupné jen s jedné strany se vkládají do díry z jedné strany a z této strany je nutné je i tvářet a zhotovit závěrnou hlavu. Nýty s kompenzátorem se používají u spojů s požadavkem vyšší únavové životnosti spoje. Výbušné nýty (obr. 78) mají uvnitř dříku trhavinu. Nýtování se provádí tak, že po vložení do díry se opěrná hlava ohřívá pájedlem, které přivede teplem trhavinu k explozi a ta vytvaruje závěrnou hlavu. Pevnost těchto nýtovaných spojů je menší a proto se používají jen výjimečně. 3.7 VÝPOČET NÝTOVÝCH SPOJŮ Nýt zatažený za tepla přitlačuje spojované součásti k sobě osovou silou F0 vznikající v nýtu smrštěním po zchladnutí. Tím se vyvodí ve stykových plochách třecí odpor Ft = F0. µ (obr. 79a). Je-li F > F, přenáší se celá síla F pouze třením.

Obr. 79. Silové poměry v nýtovém spoji a) nýt zatažený za tepla, b) nýt zatažený za studena

-99-

U nýtu zataženého za studena je osová síla malá, takže je zpravidla Ft < F (obr. 79b). Skutečné namáhání je složitější, takže přesný výpočet není možný. Proto se provádí zjednodušená kontrola na prostý smyk a otlačení s patřičně sníženým dovoleným napětím, a to pro nýty z oceli 11 343: τDs. = 60 až 80 MPa; pD = 120 až 150 MPa. U nýtovaných strojních součástí zatížených střídavými silami (např. nýtované rámy, páky aj.) se dovolená napětí snižují o 30 %. Předpokládá se, že dřík nýtu po zatažení zcela vyplňuje díru, a proto se ve výpočtu dosazuje průměr díry d1. Počet nýtů n pro přenos síly F se vypočítá z rovnic: jednostřižné nýty:

F ≤ n.π.d12 .τ Ds / 4

nebo

F ≤ n.π.d1 .s.p D

a dvojstřižné nýty:

F ≤ n.π.d12 .τ Ds / 2

nebo

F ≤ n.π.d1 .s.p D

Použije se výsledek dávající větší počet nýtů.

Následují odborné texty související se spojením pomocí nýtů zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd. Spoj vzniká deformací konce jedné ze spojovaných součástí vložené do díry v druhé součásti – přímé nýtování, nebo deformací konců nýtů vložených do průchozích děr ve spojovaných součástech – nepřímé nýtování. U přímého nýtování se roznýtovává nejčastěji za studena a proto musí být součást, která se roznýtovává, z dobře tvárného materiálu. Tohoto spojení se používá jen u málo namáhaných součástí.

SPSKS

Nepřímé nýtování nýty se rozlišuje na: –

pevné nepropustné (kotlové);

–

pevné (stavební, letecké a konstrukční);

–

nepropustné (nádržkové).

Výhody nýtování: –

spolehlivost nýtových spojů je ověřena mnohaletou praxí a je snadno kontrolovatelná;

–

nýtové spoje, podobně jako šroubové spoje, jsou pružnější než svařované;

–

při nýtování nedochází k deformacím spojovaných materiálů místním nahromaděním tepla jako u svařování.

Nevýhody nýtování: –

rozebírání nýtového spoje je možné jen porušením nýtů nebo spojovaných součástí

–

nýtové spoje nezaručují přesnou vzájemnou polohu spojovaných součástí

–

ve spojovaných materiálech je třeba udělat pro nýty otvory

–

spojované materiály jsou nýtovými dírami zeslabeny

-100-

–

nepropustnost nýtového spoje se musí často zvyšovat papírovou nebo plátěnou vhodně impregnovanou vložkou

–

hlučnost při nýtování Použití nýtových spojů:

Nýtované spoje se dnes používají jen ve zvláštních případech. Většinou byly nahrazeny svarovými a lepenými spoji, které vyžadují méně přípravných prací a podstatně snižují hmotnost konstrukcí. Svařované konstrukce z tvarové oceli jsou proti nýtovaným asi o 15 až 20 % lehčí. Ve značném rozsahu se stále používá nýtování v leteckém průmyslu, nýty z vodivých materiálu se používají v elektrotechnice. Dnes je nýtování opodstatněné u spojování těžko svařitelných materiálů, u spojů na montážích, kde není přívod elektrického proudu, u spojení plechů a profilů z lehkých kovů a slitin apod. Surový nýt se skládá z přípěrné hlavy a dříku, závěrná hlava se vytvoří nýtováním. U hrubých nýtů je dřík u hlavy mírně kuželový, dále pak válcový, u drobných nýtů je celý dřík válcový. Hlavy nýtů mají podle použití různé tvary (se zápustnou hlavou, s půlkulatou hlavou apod.). Mezi zvláštní nýty patří nýt rozštěpený, nýty dvoudílné uzavřené a otevřené, nýt výbušný a různé další nýty. Materiálem nýtů jsou nejčastěji oceli 10 341, 10 371, 10 451, 11 341, 11 371 a dále pak slitinová ocel niklová, měď, mosaz, hliník aj. Doporučuje se používat nýtů z téhož materiálu, z jakého jsou spojované součásti. Nýty vystavené chemickým účinkům prostředí se chrání pokovováním. Ocelové nýty do průměru 10 mm a všechny nýty z neželezných i lehkých kovů se nýtují za studena, ocelové nýty větších průměrů jen za tepla.

SPSKS

Druhy nýtování:

1. Nýtování pevné nepropustné (kotlové) se hojně používalo při výrobě parních kotlů a potrubí, dnes je jeho použití omezené. Těsnost nýtových švů se dosahuje tužením zkoseného okraje plechů, popřípadě i okrajů hlav nýtů. U kotlů se používá spojů přeplátováním plechů s jednou až třemi řadami jednostřižných nýtů, nebo spojů se dvěma stykovými deskami a dvojstřižnými nýty. Tam, kde jde o dokonale kruhový tvar kotle, uplatňuje se spoj s jednou stykovou deskou. Průměry nýtů, rozteče, vzdálenosti řad, součinitele zeslabení a míry bezpečnosti, síla připadající na 1 cm šířky spoje se volí podle druhu spoje. U kotlového nýtování se určí počet nýtů z podmínky, aby celou sílu přenášelo jen tření mezi spojovanými plechy. 2. Nýtování pevné se uplatňuje při výrobě různých ocelových konstrukcí jako jeřábů, jeřábových drah, mostů, sloupů apod. Ocelové konstrukce se stavějí z válcované oceli profilů „I“, „L“, „T“, „C“, pásů a plechů. Podle důležitosti konstrukce se používá různých druhů ocelí. Konstrukce, které mají vzdorovat korozi, se zhotovují z oceli s přísadou mědi. Materiál nýtů má být přiměřený materiálu konstrukce. U pevného nýtování se vyskytují dva druhy spojů, a to: –

spoje s nýty nosnými (silovými) – určeny k přenosu sil

–

spoje s nýty spínacími (spojovacími) – jen spojují jednotlivé součásti a síly nepřenášejí

Většinou tu jde o dvojstřižné nýty. Nýty pevného nýtování se zatahují za tepla, jen některé montážní nýty se zatahují za studena. Průměr nýtů nemá být menší než 13 mm a větší než 28 mm. Tloušťka plechu se volí minimálně 5 mm. U pevného nýtování jsou nýty namáhány na

-101-

střih a otáčení. S třením mezi stykovými plochami se nepočítá. Dovolené namáhání ve střihu se volí cca 0,8 σD. Rozteč nosných nýtů v nýtových spojích přenášejících tlak nebo tah, bývá t = 4d, nejmenší přípustná rozteč je 305d, největší 6d. Základní druhy konstrukcí pevného nýtování jsou plnostěnné nosníky, příhradové nosníky a nýtované sloupy. 3. Nýtování nepropustné se uplatňuje ve výrobě otevřených i uzavřených nádob na kapaliny i plyny bez přetlaku, u potrubí velkých průměrů, kouřovodů apod. Nádrže se vyrábějí z konstrukčních plechů s tloušťkami 3 až 12 mm z ocelí 10 420 a 11 420. Nýtování je tu nejčastěji jednořadé přeplátované. Plechy tenčí než 6 mm se utěsňují vložkami z lepenky nebo plátna, napuštěnými olejem nebo suříkem, u spojů pracujících za vyšších teplot azbestovou lepenkou. Plechy tlustší než 6 mm se tuží. Rozteč nýtů t = 3d + 5 mm, u nádrží na oleje t = 2,5d, u nýtovaných komínů t = (5 až 8)d. Tloušťka dna nádrží je o 1 až 2 mm větší než stěny. U kapalin je tlak na stěny a dno nádrže závislý na výšce kapaliny. U hlubokých nádrží jsou tlaky kapaliny velmi rozdílné, proto je nutno volit různou, těmto tlakům příslušnou tloušťkou stěny. Nádrže je nutno chránit proti korozi nátěrem, zinkováním, smaltováním nebo povlakem z plastických hmot. Neželezné nýty: Hliníkové nýty se používají jen velmi zřídka pro malou smykovou pevnost. Častěji se používá jeho slitina dural (Al-Cu-Mg). Dural má velkou smykovou pevnost, nevýhodou je malá odolnost proti korozi. Tam, kde je větší nebezpečí vzniku koroze, se používají nýty plátované hliníkem nebo slitinou Al-Mg-Si.

SPSKS

Nýty z neželezných kovů (mědi, mosazi apod.) se hodí pro méně náročné spoje. Jsou odolné proti korozi a dobře tvárné. Pro nezatížené spoje se používají nýty z termoplastů. Jejich výhodou je naprostá odolnost proti korozi, nevýhodou je malá odolnost proti teplotám nad 100 °C. Nejčastěji používané druhy nýtů v konstrukci Nýt s půlkulatou hlavou

Slepý nýt

Zápustní nýt s čočkovou hlavou

Nýtový spoj s nýty s půlkulatou hlavou

-102-

Zápustní nýt

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jak můžeme rozdělovat nýtové spoje podle požadavků, které jsou na ně kladeny 2. Jaké přednosti mají nýtové spoje oproti svarům? 3. V jakých případech se používají jednostranné nýty? 4. Jaké přednosti má lisovací nýtování? 5. Z jakých materiálů se vyrábějí nýty? 6. Proč by měly být spojované díly a nýty ze stejného materiálu?

SPSKS

SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM 4.1 SVAROVÉ SPOJE

Svařování je produktivní způsob spojovaní kovových materiálů i plastu v nerozebíratelný celek působením tepla, tlaku, popř. kombinací obou. Přehled ocelí tříd 10 až 13 doporučených pro svařováni je v tab. 20. Tab. 20. Oceli tříd 10 až 13 vhodné ke svařování

8.2.1

SVAŘOVÁNÍ PLAMENEM

Při svařování plamenem (obr. 80) se základní materiál roztaví plamenem z hořlavého plynu a kyslíku, který slouží jako zdroj tepla (obr. 81). Jako hořlavý plyn se používá většinou acetylen, protože s tímto plynem se dosahuje vysoké teploty plamene, přibližně 3 200°C.

-103-

Acetylen (C2H2) se vyrábí štěpením metanu ze zemního plynu nebo ve vyvíječích rozkladem karbidu vápenatého vodou, plní se do lahví a dodává spotřebiteli v jednotlivých lahvích nebo v sadách lahví. Acetylen se rozpadá při tlaku vyšším než 2,2 MPa a součastném zahřátí nebo zapálení explozivně na své složky uhlík a vodík. Z bezpečnostních důvodů nesmí proto činit nejvyšší provozní tlak nikdy více než 0,15 MPa. Od 1,5 podílu acetylenu ve vzduchu vzniká zápalná směs. Proto je třeba dbát při manipulaci s acetylenem mimořádné opatrnosti.

Obr. 81. Zařízení pro svařování plamenem

Láhve na plyny

SPSKS

Láhve na acetylen. Acetylen se ukládá do lahví, které jsou naplněny jemně porézní hmotou. V pórech této hmoty se nachází kapalný aceton. Plynný acetylen se v tomto acetonu rozpouští a v lahvi tedy není v plynné formě, ale jako kapalný neerozivní roztok acetylenu a acetonu. Rozpadu plynného acetylenu se tím zamezí i při vyšším tlaku. Láhev na kyslík. Kyslík, který je třeba ke spalování acetylenu ve svařovaném plamenu, lze získat v ocelových lahvích s plnicím tlakem 15 nebo 20 MPa. Aby nedošlo k záměně při manipulaci s plyny (hořlavé a nehořlavé) a příslušnými armaturami, jsou plynové láhve barevně označeny a mají různé připojení. Kyslíkové láhve se nesmějí dostat do styku a olejem nebo tukem, protože kyslík reaguje s olejem a tukem explozivně.

Kyslíko – acetylenový plamen (obr. 82) svařovací plamen se nastavuje ventily na svařovacím hořáku. V injektorovém hořáku je hořlavý plyn nasáván proudícím kyslíkem. K dokonalému spalování acetylenu je potřeba 2,5 násobné množství kyslíku. Při normálním nastavení plamene se acetylen a kyslík mísí v poměru 1:1. Spalování této směsi je proto dokonalé (1. stupeň spalování). Vznikající plyny, oxid uhelnatý a vodík, vytváří bezkyslíkatou redukční zónu. V této svařovací zóně se dosahuje 2 až 4 mm před světelným kuželem nejvyšší teplota plamene o hodnotě asi 3 200°C. Kyslík potřebný pro dokonalé spalování se bere z okolního vzduchu (2. stupeň spalování).

-104-

Obr. 82. Kyslíko – acetylenový plamen

Při poměru mísení kyslík : acetylen = 1 : 1 je světelný kužel ostře ohraničen. Toto nastavení se označuje jako neutrální plamen. Při přebytku plynu je světelný kužel překryt mlhovým závojem. Plamen pak obsahuje volný uhlík, který je zčásti zachycován taveninou a nauhličuje a vytvrzuje svar. Při přebytku kyslíku se světelný kužel zkrátí a zmodrá. Tavenina nyní bere kyslík z plamene. Svar je křehký.

Pracovní postup při svařování plamenem Stykové plochy spojovaných součástí se natavují působením tepelné energie, která se uvolňuje při spalování hořlavého plynu ve směsi s plynem podporujícím okysličování. Plamenem se svařují všechny běžně používané kovy a jejich slitiny. Kvalita svařovaní plamenem závisí ne vedení hořáku a svařovacího drátu svářečem. Při stejném držení hořáku a drátu lze svařovat „doleva nebo doprava“ (obr. 83 a 84).

SPSKS

Obr. 83. Svařování doleva

Obr. 84. Svařování doprava

Svařování doleva (vpřed) se požívá u plechů o tloušťce do 3 mm. Směr plamene odpovídá směru svařování. Tavná lázeň je tedy mimo zónu nejvyšších teplot a může být malá. To je nutné pro svařování tenkých plechů. Kromě toho umožňuje předchozí zahřátí místa svaru vyšší rychlost svařování. Zamezí se tak deformaci tenkých plechů. Svařovací drát se lehkými dotyky odtavuje do tavné lázně (obr. 83). Svařování doprava (vzad) se používá u plechů o tloušťce větší než 3 mm. Plamen směruje na již hotový svar. Tím se dosahuje pomalého ochlazování a zlepšení svarového spoje. Při svařování se hořák vede klidně a drží se tak, aby světelný kužel směroval do tavné lázně. Touto koncentrací tepla lze svařovat silné plechy. Svařovací drát se před světelným kuželem krouživými pohyby utavuje do tavné lázně.(obr. 84). Svařovací dráty, které se při svařování plamenem odtavují jako přídavný materiál k vyplnění styčných spár, mají různé složení, odpovídající svařovaným materiálům. Jejich značka (popř. -105-

barevné označení) udává zaručené jakostní vlastnosti svařovaného drátu. Svařovací dráty se vyrábějí v různých průměrech. Pro ochranu před korozí jsou poměděny.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké tlaky ukazují manometry armatury tlakové lahve? 2. V jakých případech se používá svařování doleva a svařování doprava? 3. Jaká pravidla je nutné dodržovat při zacházení s jednotlivými tlakovými lahvemi?

8.2.2

SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM

U této metody svařování se jako zdroj tepla používá elektrický oblouk, kteří hoří mezi elektrodou a součástí (obr. 85). Vysokou teplotou elektrického oblouku se roztaví materiál na svařovaném místě. Současně se elektroda taví jako přídavný materiál a vytváří svarovou housenku.

SPSKS Obr. 85. Ruční svařování elektrickým obloukem

Zdroje proudu pro svařování Obalené elektrody se skládají s jádra a obalu. Jádro tvoří jako přídavný materiál svarovou housenku. Obal produkuje silným zahřátím plynu, který elektrický oblouk stabilizuje a chrání přechod kapalného materiálu a tavnou lázeň před okolním vzduchem. Kromě toho vytváří roztavený obal strusku. Ta plave na svaru. Tím se svařovaná oblast pomaleji ochlazuje, čímž se snižuje napětí vzniklé smrštěním. Pro každé svařování existují vhodné elektrody, např. pro spojovací svařování a navařování. Vlastnosti elektrod jsou patrné z označení (obr. 86). Zde jsou uvedeny vedle mechanických hodnot i označení chemického složení svařované elektrody a označení typu obalu. Podrobnosti o označování jednotlivých druhů elektrod lze nalézt v tabulkách nebo v katalozích výrobců.

-106-

Obr. 86. Příklady označování elektrod

Elektrický oblouk se vytvoří tím, že se dotykem zkratují póly elektrického obvodu pod napětím, např. k zápornému pólu připojená elektroda a ke kladnému pólu připojená součást. V bodě dotyku vzniknou vlivem přechodového odporu na obou pólech vysoké teploty. Při oddálení elektrody od součásti se přitom uvolní elektrony z elektrody. Pohybují se pod vlivem elektrického pole od elektrody (– pól) k součásti (+ pól) a jsou při tom velmi silně urychlovány. Vzniká plazma elektrického oblouku, vysoce zahřátý sloupec plynu, ve kterém dráhu oblouku ionizuje, tzn. činí ji elektricky vodivou. Na záporném pólu vzniká teplota asi 2 700°C. Při těchto teplotách se taví výchozí body elektrického oblouku na elektrodě a na součásti. Roztavený materiál elektrody přechází ve formě kapiček do tavné lázně součásti (obr. 85, str. 103). Struska ve svaru se smí odstranit až po vychladnutí, aby mohla součást pomalu chladnout.

SPSKS

Při pozorování průběhu svařování elektrickým obloukem a při odstraňování strusky je nutno používat ochranný štít. Záření elektrického oblouku poškozuje oči a nechráněnou pokožku.

Technika práce při svařování elektrickým obloukem. Obalená elektroda (typ a průměr) se vybírá podle tloušťky základního materiálu, způsobu svařování, nebo navařování a druhu proudu. Zapálení oblouku se provede lehkým dotykem elektrody a součásti. Délka oblouku – vzdálenost elektrody od součásti, by měla být stejná nebo menší než průměr jádra použité elektrody. K oblouku jsou přiváděny pevné, kapalné nebo plynné látky, které chrání svarový kov před stykem s ovzduším, stabilizují oblouk a vytváří další příznivé podmínky pro získání jakostního svarového spoje. Při svařování musí být odtavování elektrody vyrovnáváno tak, aby zůstávala délka elektrického oblouku konstantní. Odpovídajícím držením a vedením elektrického oblouku je možno směr a silové působení elektrického oblouku ovlivnit tak, že struska nepřechází ve směru svařování a nevytváří tak struskové díry a neprůvary. Jestliže zbytek elektrody dosahuje teplotu tavení, je nastavený svařovací proud příliš velký. Jestliže se oblouk špatně zapaluje a udržuje a omezuje-li tekutá struska tvorbu svařované housenky, je svařovací proud příliš malý.

Svary větších průřezů se svařují ve více vrstvách (obr. 87). Struska z dříve navařené vrstvy se musí vždy zcela odstranit. Široké svary mohou být vytvořeny kývavým pohybem elektrody (obr. 87). Svary v poloze svislé se svařují zvláštním pohybem elektrody. (obr. 88).

-107-

Obr. 87. Svařování ve více vrstvách

Obr. 88. Vedení elektrody při koutovém svaru v poloze svislé (B4)

Svařování v ochranných atmosférách Při svařování v ochranních atmosférách* (obr. 89) rozlišujeme svařování netavící se wolframovou elektrodou (WIG) a svařování s odtavující se kovovou elektrodou (MIG, MAG). U obou postupů jsou elektrický oblouk a tavná lázeň chráněny před atmosférou ochranným plynem. Volba ochranného plynu se řídí podle svařovaného materiálu a metody svařování (tabulka 21). *

Svařování v ochranné atmosféře se hodí pro mechanizované svařování.

SPSKS

Tabulka 21: Použiti ochranných plynů

Obr. 89. Rozdělení svařování v ochr. atmosféře

Svařování wolframovou elektrodou v inertní atmosféře (WIG) Svařovací zařízení WIG se skládá ze zdroje proudu, který lze ve většině případů přepnout na svařování stejnosměrným nebo střídavým proudem, a hořáku, který je se zdrojem proudu spojen svazkem hadic. Ve svazku hadic se nachází vodiče pro přívod svařovacího proudu, přívod ochranného plynu, vodič ovládání a u velkých hořáků přívod a odvádění chladící vody. (obr. 90). Vysokofrekvenční zapalování umožňuje bezdotykové zapálení elektrického oblouku.

Svařování stejnosměrným používá převážně ke svařování elektronů z elektrody k součásti oblouku elektrody nižší teploty.

proudem s elektrodou připojenou k zápornému pólu se legovaných ocelí, neželezných kovů a jejich slitin. Tokem vznikají na součásti vyšší a na výchozím bodě elektrického Wolframová elektroda může být zbroušena do špičky, čímž

-108-

elektrický oblouk stabilněji hoří a při svařování může být lépe veden. Natavená zóna, nazývaná také závar, je úzká a hluboká (obr. 90 a 91)

Obr. 90. Svařovací hořák WIG

Obr. 91. Elektrický oblouk při svařování WIG

Svařování střídavým proudem se používá většinou ke svařování lehkých slitin. V kladné půlvlně střídavého proudu protékají elektrony od součásti k elektrodě a rozrušují přitom nesnadno tavitelnou vrstvu oxidů lehkého kovu. V záporné půlvlně protékají elektrony k součásti a vytvářejí teplo k tavení kovu. Vysokým tepelným namáháním wolframové elektrody vzniká na jejím konci polokulovitá kapka. Elektrický oblouk hoří neklidně. To je nevýhoda pro svařování jemných součástí. Závar je široký a plochý. Svařování kovovou elektrodou v ochranné atmosféře*

SPSKS

Při svařování kovovou elektrodou v ochranné atmosféře hoří stejnosměrný elektrický oblouk mezi drátovou elektrodou připojenou ke kladnému pólu a součásti. Odtavující se drátová elektroda je jako nosič elektrického oblouku a jako přídavný materiál vysouvaná rychlostí svého odtavování ovládatelným zařízením pro podávaní drátu přes svazek hadic a přes svařovací hořák (obr. 92). Svařovací proud je v hořáku krátce před elektrickým obloukem přenášen přes napájecí průvlak na drátovou elektrodu. Hustota proudu je v krátkém, elektricky vodivém, volném konci drátu, díky jeho malému průřezu, velmi vysoká, čímž je dosahováno vysokého výkonu odtavování a hlubokého závaru.

Obr. 92. Svařovací zařízeni MIG-MAG

Přechod kovu z elektrody do tavné lázně se děje po jednotlivých kapkách, na které působí různé síly (elektromagnetická, povrchového napětí, reakční, gravitační, tryskajících par, účinek plynné fáze). Některé z nich přechod podporují, jiné mu brání. Změnou parametrů svařování lze dosáhnout různého druhu oblouku a průběhu svařovacího procesu (tab. 22). Optimální je co nejvyšší počet co nejmenších kapek.

-109-

Tabulka 22: Druhy elektrického oblouku a jejich vlastnosti

*

U svařování kovovou elektrodou v ochranné atmosféře rozlišujeme svařování kovovou elektrodou v inertní atmosféře (MIG) a svařování kovovou elektrodou v aktivní atmosféře (MIG). U svařování MIG se jako inertní (málo reaktivní) plyn používá argon nebo helium. Tyto ochranné plyny jsou potřebné ke svařování neželezných kovů, slitin hliníku a vysoce legovaných ocelí. U svařování MAG se jako ochranné plyny používají aktivní (reaktivní) plyny. Mezi ně patří CO2 (označení metody MAGC) a směsi plynů z argonu a CO2 nebo O2 (MAGM). Tyto ochranné plyny ovlivňují přechod materiálu v elektrickém oblouku, hloubku závaru, tvar svaru a rozstřik. Nevýhodami těchto cenově příznivých ochranných plynů jsou propal legujících prvků a snižování mechanických vlastností svařovaného kovu. Výběrem přídavného materiálu lze ovlivnit kvalitu svaru. Svařování MAG se používá při svařování nelegovaných ocelí.

Opakování a prohloubení znalostí

SPSKS

1. Jaké přednosti má svařování v ochranném plynu před ručním obloukovým svařováním? 2. Kdy se při svařování WIG používá stejnosměrný proud a kdy střídavý? 3. Čím se liší svařování WIG od svařován MIG/MAG? 4. K jakým účelům se hodí plazmové svařování?

8.2.3

SVAŘOVÁNÍ PAPRSKEM

Při paprskovém svařování se energie přenášená laserovým nebo elektronovým paprskem mění při dopadu paprsku na materiál v teplo. Materiál se taví, spojuje a po vychladnutí tvoří svar. Vzhledem k materiálům průřezu a velké energie paprsku je svar tak úzký, že není většinou potřeba přídavný materiál. Svařování probíhá většinou v ochranném plynu nebo ve vakuu, v některých případech ve vzduchu.

4.1.3.1 SVAŘOVÁNÍ LASEROVÝM PAPRSKEM Výkonné lasery používané k řezání materiálu jsou používané také ke svařování. Zaostřením paprsku na kruhovou plošku průměru 1 mm dojde rychle k zahřátí až na 20 000°C. Hloubky svaru (průvaru) závisí od svařovaného materiálu, na výkonu laseru, na průměru paprsku a na rychlosti posuvu. Přednost svařování laserovým paprskem Laserem lze svařovat všechny svařitelné materiály. Velká rychlost (při velkém výkonu laseru). Malá šířka svaru. Při svařování v ochranném plynu nebo ve vakuu je svar bez oxidů. Malé tepelné deformace svařovaných dílů. Možnost automatizace.

-110-

Velká pevnost svaru.

Nevýhody svařování laserovým paprskem Velké investiční i provozní náklady. Nutnost odstínění pracoviště proti uniknutí laserového paprsku.

Oblast použití: Přesně svařované díly strojů, přístrojů, vozidel a letadel, tvrdé pájení a pájení desek elektroniky. 4.1.3.2 SVAŘOVÁNÍ ELEKTRONOVÝM PAPRSKEM Elektronovým paprskem lze docílit ještě užších a hlubších svarů než laserovým. Postup se hodí i pro svařování těžko tavitelných kovů (s vysokou teplotou tání), nebo kovů pokrytých vrstvou těžko tavitelného oxidu (např. hliníku).

Přednosti svařování elektronovým paprskem Svařování těžko tavitelných kovů, např. titanu a jeho slitin. Velká přesnost vedení paprsku a velká pevnost svarů.

Nevýhody svařování elektronovým paprskem Velké investiční i provozní náklady. Náročná příprava svařovaných dílů. Nutnost odstínění pracoviště proti uniknutí vznikajícího rentgenového záření.

SPSKS

Oblast použití: Hlavně stavba letadel. 8.2.4

TLAKOVÉ SVAŘOVÁNÍ

Při tlakovém svařování jsou díly k sobě přitisknuty v místě požadovaného svaření, nastaveny těsně pod teplotu tání a po svaření bez přídavného materiálu opět ochlazeny. Materiál lze ohřát elektrickým proudem, třením, indukčně, nebo ultrazvukem.

4.1.4.1 ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ Při odporovém tlakovém svařování jsou místa svaru zahřátá průchodem proudu mezi místy přitlačovány k sobě elektrodami tlakové svářečky. Podle postupu svařování se rozlišuje bodové, výstupkové a švové odporové svařování. Při bodovém svařování se spojují plechy přiložené plochami k sobě v jednotlivých bodech (malých ploškách). Plechy jsou při bodovém svařování k sobě tlačeny vodou chlazenými elektrodami. Při krátkodobém průchodu velkého proudu se vyvíjí v místě nejvyššího odporu, tj. v místě dotyku plechů teplo, které plechy nataví a po vychladnutí se vytvoří čočkovitý svar. Při výstupkovém svařování jsou k sobě plochými měděnými elektrodami přitlačovány plechy v místech vylisovaných výstupků (bradavek) na jednom z plechů. Při švovém svařování se spojují plechy přiložené plochami k sobě postupně vytvářeným švem, tj. švovým svarem tvaru proužku. Plechy jsou k sobě za pohybu přitlačeny otáčejícími se kladkami. Procházející impulsní svařovací proud vytváří bodové svary s takou hustotou, že se překrývají a tvoří švový svar. Při odporovém svařování je třeba nastavit tlak elektrod i velikost a dobu trvání proudových impulzů s takovou hustotou, že se překrývají a tvoří švový svar.

-111-

4.1.4.2 TŘECÍ (FRIKČNÍ) SVAŘOVÁNÍ Při třecím svařování vzniká teplo potřebné ke svaření třením svařovaných dílů v místě svaru. Rotačně symetrické díly se svařují rotačním svařováním třením. Tímto způsobem se přivařují hlavy šroubů, nebo se svařují ocelové roury až do průměru 900 mm s tloušťkou stěny 6 mm. K pevně upnutému dílu se přitlačuje druhý rotující díl a při dosažení svařovací teploty se zastaví otáčení a zvětší přítlační síla. Po vychladnutí svaru se odstraní výronek.

4.1.4.3 ALUMINOTERMICKÉ SVAŘOVÁNÍ Používá se při svařování kolejnic. Teplo se uvolňuje při termochemické reakci termitu (směsi prášků Al a Fe2O3). Dnes se používá zřídka, pouze sváry prováděné touto technologií jsou k vidění na kolejištích.

4.1.4.4 INDUKČNÍ SVAŘOVÁNÍ Používá se pro podélné svařování tlustostěnných trub.

4.1.4.5 SVAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKEM Používá se při výrobě větších plastových dílů.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké přednosti má svařování laserovým paprskem proti obloukovému svařování? 2. Proč umožňuje svařování laserovým paprskem velkou rychlost posuvu? 3. Popište průběh bodového svařování. 4. Jaký tvar musí mít díly pro rotační svařování třením?

SPSKS

4.2 LEPENÍ Při lepení* spojuje vytvrzovatelná mezivrstva stejné nebo rozdílné látky materiálovým stykem. *

Lepené spoje slouží zejména k:

− spojování konstrukčních dílů, − zajišťování šroubů a matic, − utěsňování spojovacích ploch.

Používají se při výrobě letadel a automobilů, pro stavbu draků, karoserií a skříní, k upevňování brzdových obložení, ve strojírenství k upevňování pouzder a ložisek, k zajišťování šroubů a k utěsňování (obr. 93).

Nevýhody lepení:

Výhody lepení: − − − − −

nedochází ke změně struktury, rovnoměrné rozdělení pnutí, možnost kombinací materiálů, těsné spojení, nebývá třeba přesného uložení.

– potřeba velkých spojovacích ploch, – malá únavová pevnost, – malá tepelná odolnost, – někdy dlouhé a komplikované vytvrzování,

-112-

Obr. 93. Lepené spoje

Obr. 94. Síly u lepených spojů

Obr. 95. Provedení lepených spojů

Konstrukce lepených spojů Trvanlivost lepeného spoje závisí na adhezní (přilnavé) síle lepidla na spojovaných plochách a na kohezní síle (síle soudržnosti) uvnitř vrstvy lepidla (obr. 94). Vysoké adhezní síly lze dosáhnout pouze tehdy, jsou-li spojované plochy čisté, suché a mírně zdrsněné. Vytvrzováním vzniká z tekutého lepidla pevná hmota. Aby se plně využila pevnost lepených kovových částí, musí být délka přeplátování asi pět až dvacetkrát větší než tloušťka plechu (obr. 95). Zajištěnost lepeného spoje nezávisí jen na velikosti ploch spoje, ale podstatně také na způsobu zatížení. Lepené spoje* se konstruují tak, aby lepená vrstva byla převážně namáhaná smykem a jen v malé míře tahem. Namáhání odlupováním nejsou přípustná, protože vedou k natržení spoje. (obr. 96). Je třeba jim zamezit zvláštním opatřením např. lemováním nebo nýtováním.

SPSKS

*

Lepené spoje musejí mít velkou plochu a nesmějí se namáhat odlupováním.

Obr. 96. Namáhání lepených spojů

Druhy lepidel Tavná lepidla tuhnou čistě fyzikálně ochlazením. Lepidla na bázi rozpouštědel vytvrzují odpařením rozpouštědla.

-113-

Reaktivní lepidla jsou nejčastěji používaná lepidla pro kovy (tab. 23). Vytvrzují chemickou reakcí. Podle teploty zpracování se dělí na jednosložková a dvousložková lepidla. Tab. 23. Reaktivní lepidla

Příprava povrchů* Mechanická příprava se provádí otryskáváním jemným pískem nebo broušením brusným plátnem. Odmaštění je potřebné po mechanické přípravě nebo před chemickou přípravou. Provádí se odmašťováním parami, odmašťováním ponorem, nebo otřením čistým hadrem napuštěným rozpouštědlem. Místo mechanické přípravy se může provést chemická příprava leptáním. Je to nejúčinnější způsob přípravy, protože povrch je zároveň čištěn i zdrsněn. Po leptáni nebo odmaštění musí následovat pečlivé osušení.

SPSKS

*

Spojované plochy musejí být:

− − − − − −

suché, čisté, zbavené tuku a mírně zdrsněné, během vytvrzování musejí být části bez tuku a mírně zdrsněné, zajištěny proti posunutí, nanášení lepidla by se mělo provádět ihned po přípravě povrchu, tloušťka vrstvy lepidla by měla činit 0,1 až 0,3 mm, lepidla by se neměla v nevytvrzeném stavu dostat do styku s pokožkou, pracovní prostory je třeba dobře větrat, protože dochází ke vzniku zdraví škodlivých par.

Zpracování lepidla Dvousložková lepidla se musejí před nanesením smíchat v potřebném množství a ve správném poměru mísení. Doba jejich zpracovatelnosti je omezená. Podle formy, v jaké se dodávají, se tence a rovnoměrně nanášejí stříkací pistolí, štětcem či stěrkou nebo položením lepící fólie.

Vytvrzováni Mnoho lepidel, která jsou během nanášení lepkavá jako med, na počátku vytvrzování zřídnou. Proto se musejí spojované součásti zajistit proti posunutí, u některých lepidel navíc stlačit. Doba a teplota vytvrzení se řídí podle druhu lepidla a uvádí je výrobce.

-114-

Opakování a prohloubení znalostí 1.Proč musí být lepené plochy co největší? 2. Jak musí být před lepením ošetřeny lepené plochy?

4.3 PÁJENÍ Pájení* je spojování materiálovým stykem nanášením vrstvy roztaveného přídavného materiálu, pájky. Tavicí teplota pájky je nižší než tavicí teplota spojovaných základních látek. Základní materiál se pokryje pájkou, ale neroztaví se. Pájení se často provádí s použitím tavicích přísad, ochranných plynů, nebo ve vakuu. Pájením vznikají nerozebíratelné spoje, které jsou pevné, těsné a vedou teplo a elektrický proud (obr. 97). Spojované základní materiály mohou mít velmi rozdílné vlastnosti a složení, pokud se pájka spojuje s oběma látkami. Lze tedy pájet např. břitové destičky ze slinutých karbidů na tělesa soustružnických nožů z konstrukční oceli. *Pájením lze pevně, těsně a vodivě spojovat stejné nebo rozdílné kovové materiály.

SPSKS Obr. 97: Pájení měděné trubky

Obr. 98. Formy smáčení při pájení

8.2.5 ZÁKLADY PÁJENÍ Smáčeni Předpokladem pájeného spoje je, že kapalná pájka smáčí* základní materiál. Přitom dochází k rychlému rozliti kapalné pájky po povrchu součásti (obr. 98). Pájka pronikne do struktury základního materiálu a vytvoří slitinu (obr. 99). Tento proces vzájemného pronikáni se nazývá difuze. *Dobrého smáčení se dosáhne jen tehdy, když: − základní materiál může vytvářet s pájkou slitinu, − pájený spoj je kovově čistý, − součásti a pájka se dostatečně zahřejí.

-115-

Obr. 98. Tvoření slitiny difuzí

Obr. 99. Spára při pájení a mezera při pájení

Spára a mezera při pájení Vzdálenost spojovaných ploch má na pájení velký vliv. Vzdálenost menší než 0,25 mm se označuje jako spára. Pokud je vzdálenost větší, tak se označuje jako mezera (obr.99). Těsně proti sobě ležící plochy spáry způsobí větší adhezi mezi součástí a pájkou, než je koheze v kapalné pájce. Tímto kapilárním účinkem pájka vzlíná do spáry. Kapilární účinek je tím větší, čím menší je šířka spáry. U správně vyměřeně šířky spáry vzniká kapilární plnicí tlak, který vytáhne pájku do spáry i proti gravitační síle (obr. 100).

SPSKS Obr. 100. Výška vzlínání pájky v závislosti na šířce

Obr. 101. Kapilární účinek při pájení

Je-li mezera při pájení širší než 0,3—0,5mm, tak není pájka do ní dostatečně vtahována (obr. 101). I příliš úzká spára* se naplní nedostatečně, protože nepřijímá dostatek tavicí přísady pro odstranění oxidové vrstvy. *Šířka spáry při pájení by měla být 0,05 až 0,2 mm. Délka a hloubka spáry se řídí podle pevnosti použité pájky a podle požadavků, které jsou kladeny na pájený spoj. Hloubky spár při pájení by neměly přesahovat 15 mm, protože pak jsou nedostatečně plněny. Při dodržení optimální šířky spáry a správné volbě pájky mají pájené spoje stejnou pevnost jako základní materiály.

Teploty při pájení Čisté kovy a binární slitiny s eutektickým složením tají při jediné teplotě. Teplota tavení eutektické slitiny* je nižší než teploty tavení čistých složek. Např. čistý cín se taví při 232 °C, čisté olovo při 327 °C, slitina z 63% cínu a 37% olova při 183 °C (obr. 102).

-116-

*

Slitiny, které nemají eutektické složení, netají při jediné teplotě, ale v intervalu teplot.

Obr. 102. Rovnovážný diagram cín – olovo

Obr. 103. Důležité teploty pro pájení pro pájku B Ag50CuznCd a tavidlo FH10

Zahřejeme-li např. slitinu z 30% cínu a 70% olova, tak se při 183 °C taví jen jednotlivé krystaly. Se zvýšením teploty se taví stále více krystalů. Slitina je úplně roztavená až při dosažení linie a—b na grafu. V intervalu taveni mezi 183 °C a 260 °C vzniká kašovitá směs taveniny a krystalů (obr. 102). Při tuhnuti je kapalná pájka nejdříve opět kašovitá a pak tuhá. Otřesy během tuhnuti snižuji soudržnost pájky* a podstatně snižují pevnost pájeného spoje.

SPSKS

*

Pájka musí ztuhnout bez otřesů.

Pracovní teplota pájky je nejnižší povrchová teplota součásti, při které pájka smáčí a je dostatečně tekutá. Při teplotách nižších než je pracovní teplota nedochází ke spojeni mezi pájkou a základním materiálem (,‚studený spoj“). Pájka a pájené místo musejí dosáhnout alespoň pracovní teploty (obr. 103). Při překročení maximální pájecí teploty součást oxiduje a pájka křehne. Oblast účinné teploty je oblast, ve které tavidlo umožňuje smáčení součásti pájkou (obr. 103).

Pravidla práce − Součást a pájka by se měly zahřát rychle a rovnoměrně. − Pracovní teplota a maximální pájecí teplota omezují oblast pájecí teploty. − Oblast účinné teploty tavidla musí být větší než oblast pájecí teploty. −

4.1.6

DRUHY A ZPŮSOBY PÁJENÍ

Podle pracovní teploty rozlišujeme měkké pájení, tvrdé pájení a vysokoteplotní pájení (tabulka 24). U měkkého pájení leží pracovní teplota pod 450 °C. Měkké pájení se používá tehdy, jsouli potřeba těsná a vodivá spojení a na zatížitelnost nejsou kladeny vysoké nároky, nebo pokud jsou pájené součásti citlivé na teplo. Spojením tvarovým stykem lze zvýšit zatížitelnost místa pájeného měkkým pájením (obr. 103).

-117-

U tvrdého pájení leží pracovní teplota nad 450 °C. Spoje tvrdým pájením lze provádět jako tupé svary; pevnost zvyšuje zvětšení hloubky spáry (obr. 103). Tab. 24. Metoda pájení a pracovní teplot

Vysokoteplotní pájení je pájení v ochranné atmosféře nebo ve vakuu pájkami, jejichž pracovní teplota je vyšší než 900 °C. Podle způsobu přivádění pájky rozlišujeme pájení nánosové, pájení s předem vloženou pájkou a pájení ponorem. U pájení nánosového se součásti na místě pájení zahřejí na pájecí teplotu. Poté se pájka dotykem se součástí roztaví. Při pájení ponorem se součásti zahřeji na pájecí teplotu v lázni pájky, spáru přitom vyplní roztavená pájka. U pájen s vloženou pájkou se součásti zahřívají na pájecí teplotu spolu s předem vloženou, vhodně tvarovanou pájkou.

SPSKS

Podle nosiče energie k zahřátí rozlišujeme:

− pájení plynem, pájení plamenem, pájení v peci, − pájení pevnými tělesy (pájení pájedly), − pájení kapalinami (pájení v pájecí lázni, pájení ponorem), − pájení paprsky (pájení laserovým paprskem), − pájení elektrickým ohřevem (odporové pájení, indukční pájení), − pájení horkovzdušnou pistolí.

U pájení plamenem se spojované díly zahřeji plynovým plamenem. Pájka se přivádí až tehdy, když pájený spoj dosáhne pracovní teploty. Když se vkládá pájka předem, tak se musí přivádět teplo k pájce ohřevem součásti, jinak by se pájka přehřála (obr. 104). Při pájení pájedlem se součásti zahřejí v místě pájení pájedlem (obr. 105). Pájení pájedlem se hodí jen k měkkému pájení. Pájedlo se zahřívá elektricky, nebo Obr. 104. Pájení plamenem

plynem. Pájedlo s regulací teploty je výhodné zejména při delším přerušování práce nebo při pájení součástí citlivých na teplo. Hrot pájedla je z mědi nebo měděné slitiny. Zahřátý hrot pájedla se musí před začátkem pájení očistit od oxidů a pokrýt pájkou. -118-

Pájky Jako pájky se používají slitiny, méně často čisté kovy, jejichž bod tavení leží pod bodem tavení s Obr.103. Metody pájení a tvar pájeného místa pojovaných kovů. Pájky se dělí na měkké a tvrdé. Pájky se dodávají jako bochníky, pruhy, fólie, tyče, dráty, jako tvarové díly (obr. 106) i ve formě zrn.

Měkké pájky jsou rozděleny do skupin (tabulka 25).

Obr. 105. Pájení pájedlem

Obr. 106. Příklady tvarů pájky

Tab. 25. Měkké pájky (příklady)

SPSKS Tvrdé pájky se děli podle složení, použití a pracovní teploty (tabulka 26). K vysokoteplotnímu pájení se používají tvrdé pájky o velké čistotě, převážně slitiny niklu a chrómu nebo slitiny stříbra, zlata a palladia. Tab. 26. Tvrdé pájky (příklady)

Měděné pájky jsou slitinami mědi, nejčastěji se zinkem, niklem, stříbrem. Používají se k tvrdému pájení železných, měděných a niklových materiálů. Pracovní teploty se pohybují nejčastěji mezi 850 a 1000 °C.

-119-

Tvrdé pájky s obsahem stříbra mají nižší pracovní teploty než měděné pájky. Nejnižší pracovní teploty lze dosáhnout u pájek obsahujících kadmium. Protože kadmium* je vysoce jedovaté, je použití pájek s jeho obsahem přípustné jen v odůvodněných výjimečných případech a při dodržení odpovídajících bezpečnostních předpisů. *Pájky obsahující kadmium mohou, především při přehřátí, produkovat jedovaté páry. Výběr tavidla se řídí podle pájeného základního materiálu a způsobu pájení, především ale podle pracovní teploty používané pájky. Účinek tavidla musí začít pod pracovní teplotou a přesahovat maximální teplotu pájení. Tavidla se proto děli podle jejich oblasti reakční teploty. Abychom při pájení dosáhli spoje v celé ploše spáry, nanášejí se kapalná nebo pastovitá tavidla na oblast pájení většinou krátce před sestavením dílů. Po pájení se musejí z pájených míst odstranit jejich zbytky, jinak by mohlo dojít ke korozi.

Obr. 107. Účinek tavidla

SPSKS

Pravidla práce: − − − −

Místo pájení před pájením důkladně očistěte a potřete tavidlem, Po pájení odstraňte z místa pájení zbytky tavidla, Tavidla by se neměla dostat do styku s pokožkou, Pracoviště je třeba dostatečně větrat.

Označování tavidel pro měkké pájení se podle ČSN EN 294541 provádí čísly označujícími typ tavidla, jeho základní složku a aktivátor tavidla a dále písmenem A pro kapalnou, B pro pevnou a C pro pastovitou formu tavidla (tabulka 27). Tavidla pro tvrdé pájení se podle ČSN EN 104 označují písmeny FH pro těžké kovy a FL pro lehké kovy a dvěma číslicemi, vyjadřujícími vlastnosti a použiti (tabulka 28). Tab. 27. Tavidla pro měkké pájení

Tab. 28. Tavidla pro tvrdé pájení

-120-

4.1.7

PŘÍKLAD PÁJENÍ

Tenkostěnná, leskle tažená ocelová trubka pro vysokotlaké plynové vedení se má spojit s koncovkou ze slitiny mědi a zinku CWSO2L (mosaz) (obr. 108). Pájení. Z bezpečnostních důvodů a kvůli vysokému mechanickému zatíženi koncovek vedení je nutné tvrdé pájení. Pájka a tavidlo. Abychom nepřekročili bod tavení koncovky a zachovali pevnost ocelové trubky, musí mít pájka nízkou pracovní teplotu. Protože pro železné materiály se nesmějí používat pájky s obsahem fosforu, které jsou běžné pro měděné trubky, zvolíme B Ag4OCuZnCd — 630/595. Vhodné tavidlo je FH1O ve formě pasty. Postup práce. Z pájecího drátu o průměru 1,5 mm se ohne kruh (obr. 1), potře se tavidlem a položí do koncovky. Ocelová trubka se rovněž potře tavidlem a zasune se. Rozdílem průměrů o velikosti 0,2 mm mezi trubkou a pouzdrem vznikne spára pro pájení o velikosti 0,1 mm, K pájení se spojovaná součást postaví svisle a plamenem se zahřeje tak, aby trubka a koncovka pokud možno zároveň dosáhly pracovní teploty 810 °C. Jakmile se pájka taví, klesne koncovka dolů a spára se kapilárním účinkem naplní pájkou. Během tuhnutí pájky je třeba nutně zamezit otřesům, jinak nebude zaručena pevnost spojení. Po vychladnutí se v horkém, desetiprocentním roztoku kyseliny sírové odleptají oxidy a zbytky tavidla. Poté se trubka několikrát opláchne studenou vodou, vysuší se a jako ochrana proti korozi se lehce nanese olej.

SPSKS

Obr. 108. Příklad pájeného spoje pájeného Obr. 108. Příklad spoje

Opakování a prohloubení znalostí 1. Co je to pájení? 2. Jaké požadavky jsou kladeny na pájené spoje? 3. Co je to pracovní teplota pájky?

4. Čím se liší pájení naměkko od pájení natvrdo? 5. Jaké funkce má při pájení tavidlo? 6. Proč se odstraňují zbytky tavidla?

Následují odborné texty související se spojením lepením zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd.

PÁJENÍ A LEPENÍ PÁJENÍ Pájení je nerozebíratelné spojení kovů pomocí pájky s nižší teplotou tavení, než je teplota tavení spojovaných kovů.

-121-

Výhody pájení: pájením mohou být spojovány všechny běžné kovy, rovněž sklo a keramika, mohou být spojovány konstrukční součásti s velkými rozdíly síly stěn, pájecí teploty jsou značně nižší než při svařování. Tím vzniká menší pnutí a napětí, která vznikají, důsledkem rozdílných teplot, − pájené spoje jsou vodotěsné a také elektricky vodivé.

− − −

Nevýhody pájení: Především u pájení naměkko je dosahováno jen malé pevnosti spojů. Pájené spoje jsou napadnutelné korozí – vzhledem k rozdílným materiálům pájky a základního materiálu (rozdíly potenciálů). − Z důvodu malých tolerancí na spáry mezi materiály musí být příprava obrobku přesná. − Použití tavidla nebo ochranného plynu je nutné.

− −

Postup při pájení: 1. Příprava pájeného spoje – pájky drží jen na kovově čistém povrchu. K čištění se používá pilníků, škrabek nebo drátěného kartáče, pozinkované plechy se čistí mořením, tzn. potřením spoje zředěnou kyselinou solnou. Na pevnost spoje má vliv co nejmenší spára mezi pájenými místy. Čím menší spára, tím je spoj pevnější. Pájené spoje se k sobě přitisknou kleštěmi, ve svěráku, svěrkami apod. 2. Natření spoje a nanesení pájky – před nanesením pájky musí být součásti nahřáty na tavící teplotu pájky a na této teplotě udržovány po celou dobu pájení. Před pájením naneseme na pájený spoj tavidlo ( pájecí pasta, kalafuna, pájecí voda, borax). Pájky pro jemné pájení jsou ve formě trubiček, ve kterých je již tavidlo. Tavidla zabraňují přístupu kyslíku k pájenému místu a odstraňují zbytky nečistot. 3. Pájení. Po nanesení potřebného množství pájky dochází k zatékání roztavené pájky mezi těsně spojené součásti – je nasávána kapilárním účinkem (viz obr.1). Ve stále ohřátých plochách dochází ke slévání kovů – na rozhraní mezi pájkou a součástí vniká materiál součásti do pájky, tzv.difúze. Kde není slévání možné, vniká pájka mezi povrchové krystaly součásti, tzv. zahoření. Spára při pájení má být co nejmenší (0,05 mm až 0,2 mm). 4. Očištění pájeného spoje. Po ukončení pájení je nutné povrch součásti očistit od zbytků tavidel a čistících prostředků, zvlášť byla-li použita pájecí voda.

SPSKS

Předpoklady dobrého pájení: 1. Plochy kovů, které mají být spojeny, musí být dobře připraveny k pájení ( velikostí spár viz.obr.2) a zbaveny nečistot. Obzvláště vrstvy mastnoty a oxidů zamezují spojení pájky s kovovými plochami. Pájeného místa se před pájením nedotýkáme ani prsty. 2. Zahřívání podporuje vznik oxidů. Tavidla mají vzniklé oxidy kovů rozpouštět a během zahřívání zamezit tvorbě nových.

-122-

3. Součásti a pájka musí mít při pájení požadovanou pracovní teplotu. Je to nejnižší povrchová teplota součásti v místě pájení, při které se pájka taví, může difundovat do základního materiálu. 4. Účinná teplota tavidla a tavení pájky musí být spolu sladěny. 10 8 mm6 4 2

šířka spáry (mm)

0,1

0,3

0,5

Obr.2 Závislost výšky vzlínání pájky na šířce spáry

SPSKS

Pracovní teplota při pájení

Podle pracovní teploty rozlišujeme: −

− −

Pájení naměkko s tavidlem. Pracovní teplota je pod 500°C. Použití: Nejsou-li na pevnost pájeného spoje kladeny příliš vysoké požadavky, spojení však má být těsné a dobře vodivé. Pájka nesmí být namáhána mechanicky. Pájení natvrdo s tavidlem, v ochranném plynu nebo ve vakuu. Pracovní teplota je nad 500°C. Použití: na spoje s vyšší pevností. Vysokoteplotní pájení v ochranném plynu nebo ve vakuu. Pracovní teplota je nad 900°C.

Druhy pájených spojů Možnosti: Nánosové pájení, kapilární pájení (úzká spára), spárové pájení (široká spára). Součásti, které mají být spojeny, mohou na sebe být přiloženy natupo, přeplátované, šikmo nebo ve tvaru písmene T. Při kapilárním pájení je úzká spára především vyplněna pájkou kapilárním účinkem, při spárovém pájení je široká spára plněna převážně pomocí tíhové síly pájky.

Pájky Jako pájky jsou používány především slitiny kovů: −

Měkké pájky – olovo, cín, zinek

-123-

− −

Tvrdé pájky - mosaz, bronz Vysokoteplotní pájky – např. slitiny stříbra

Bod tavení pájky musí být zásadně pod bodem tavení součásti, které mají být pájením spojeny. Tvary pájek: tyče, dráty, fólie, pásy, vlákna, pájecí prášek, pájecí pasty. Při pájení velkých sérií se tvar pájky přizpůsobuje pájenému místu.

Tavidla Každý kov je potažený vrstvou oxidu, která zamezuje spojení pájkou. I když je tato vrstva rozpuštěna, tvoří se okamžitě, zvláště zahříváním, nová vrstva. Tavidla, ochranné plyny nebo vakuum mohou vrstvu oxidů rozpustit a nebo je omezit. Pájka může do základního materiálu difundovat pouze tehdy, je-li odstraněna vrstva oxidů. Každé tavidlo má zcela určitou oblast účinné teploty. Je to oblast, kde je tavidlo aktivní. Musí být přizpůsobena pracovní teplotě pájky. Tavidla musí účinkovat již pod pracovní teplotou (asi 50O C) a nad teplotou pájení. Na pájená místa jsou nanášena ve formě kapaliny nebo pasty. Zbytky tavidla je nutno po pájení odstranit, neboť by mohla způsobit korozi. Tavidla rozlišujeme podle jejich použití pro těžké kovy, lehké kovy, měkké pájky, tvrdé pájky. Tavidla pro měkké pájky se dělí na korodující, podmíněně korodující a nekorodující.

SPSKS

Tavidla pro pájení těžkých kovů naměkko

Pájecí voda – roztok chloridu zinku a chloridu amonného s obsahem kyselin, korodující, účinná teplota: 140OC …..450OC. Zbytky tavidla musí být omyty teplou vodou. Použití: na silně oxidované těžké kovy jako ocel, měď, slitiny mědi a cínu. Pájecí pasta – olej, směs zinko-chloridu a chloridu amonného s organickými tuky ve formě pasty nebo jako kapalná směs, podmínečně korodující, účinná teplota: 200OC…..400OC. Zbytky se umývají ředidlem. Kalafuna, organická pryskyřice – nekorodující, účinná teplota: 200OC…..400OC. Používá se jako prášek nebo v jádru pájecích drátů převážně k pájení naměkko v elektrotechnice a elektronice. Zbytky mohou na spájeném místě zůstat. Tavidla pro pájení těžkých kovů natvrdo F-SH 1, jsou sloučeniny bóru a fluoridů, oblast účinné teploty 550OC….800OC. Použití: u pracovních teplot přes 600OC, tavidlo pro stříbrné pájky. F-SH 2 (borax), sloučeniny bóru, oblast účinné teploty: 750OC….1100OC. Použití: u pracovních teplot přes 800OC, tavidlo pro tvrdé pájky ze slitiny mědi a zinku. (Pozor jedovatý). F-SH 3, sloučeniny bóru, silikáty a fosfáty, účinné teploty přes 1000OC. Použití: tavidlo pro vysokotavné tvrdé pájky.

-124-

Pájedla a) Měděné hroty vyhřívané elektricky b) Pájecí hořáky na pájení plamenem- propan-butan nebo acetylén a kyslík. Vložky hořáků jsou vyměnitelné a mohou být velikostí přizpůsobeny každé potřebě tepla.

Hrot měděného pájedla

LEPENÍ

SPSKS

Lepení je postup spojování stejných nebo různých materiálů pomocí lepidla.

Použití: Vedle spojování slouží lepení také ještě k těsnění spojovaných ploch, k zajištění šroubových spojení a k opravám. Lepení kovů doplňuje postupy spojování materiálů nýtováním, pájením, svařováním a drápkováním. Lepeny jsou dnes vnější plochy letadel, mostů, střešních a okenních konstrukcí, části automobilů. Dalším příkladem je lepení trubek, nalepování brzdového nebo umělohmotného obložení na kovové součásti, břitových destiček na řezné nástroje. Zvláštní výhody skýtá lepení při spojování různých materiálů ( hliník na ocel nebo ocel na sklo). Vznikají přitom hladké povrchy, švy bez štěrbin, stejná pevnost po celém průřezu, dochází k izolačnímu působení a úsporám na hmotnosti.

Základy lepení Působení lepidla vzniká adhezí ( přilnavostí ) na spojovaných plochách a kohezí (soudržností) lepidla uvnitř lepící vrstvy. Předpokladem pro funkci lepidla jsou suché, dobře přiléhající, čisté a zdrsněné spojovací plochy, ale též správný postup technologie lepení.

Druhy lepidel Lepidla jsou tvrdnoucí umělé pryskyřice jako např. fenolová pryskyřice, polyamidová pryskyřice, epoxidová pryskyřice, jejichž tvrdost a houževnatost lze ovlivnit přidáním změkčovadel. a) Podle teploty zpracování rozlišujeme lepidla tuhnoucí za studena a lepidla tuhnoucí za tepla. Lepidla tuhnoucí za studena se vytvrdí chemickou reakcí při pokojové teplotě (20OC). Doba vytvrzení je podle druhu lepidla 5 sekund až několik dní.

-125-

Lepidla tuhnoucí za tepla se vytvrdí při zahřátí na 150O C až 250OC během 5 minut až několika hodin. Některá lepidla potřebují k vytvrzení tlak až 0,3 MPa. b) Podle složení rozlišujeme lepidla jednosložková a dvousložková. Jednosložková lepidla jsou smíchaná lepidla s ředidlem. K vytvrzení dochází na vzduchu po odpaření ředidla, také odebráním kyslíku, vlhkostí vzduchu nebo teplem. Lepené plochy proto smějí být spojeny teprve tehdy, když nanášený lepící film již není vlhký. Dvousložková lepidla působí teprve po smíchání dvou složek a sice lepidla a tužidla. Reakce následuje rychle, připravená směs musí být zpracována během určitého času (doby zpracovatelnosti).

Vytvoření lepených spojů Úprava. Lepené plochy musí být pečlivě mechanicky a chemicky očištěny, tzn. musí být zbaveny nečistoty a mastnoty, aby molekuly lepidla mohly přilnout na materiál. Smirkováním, pískováním nebo mořením (odstraňováním starého nátěru) jsou povrchy dodatečně zdrsněny, aby bylo dosaženo zvětšení kontaktních ploch. Po očištění musí být spojované plochy pečlivě osušeny. Postup při lepení. Lepený spoj vyžaduje pevné přilnutí spojovaných součástí. Lepidla a tužidla musí být bezprostředně před nanesením ve správném poměru smíchána a je třeba je nanést u drsných povrchů oboustranně, u hladkých ploch na jedné straně. Lepící vrstva se má pohybovat mezi 0,025 – 0,001 mm. S oběma spojovanými součástkami se nesmí až do vytvrzení pohnout. U epoxidových pryskyřic není třeba větší tlak, stačí pouze dosedací (kontaktní) tlak.

SPSKS

Je nutné sledovat způsob namáhání lepeného místa. Namáhání tahem se musí zabránit, jelikož by docházelo k nepříznivému namáhání spoje a pevnost lepidel v tahu není příliš velká. Lepenému spoji nevadí namáhání střihem a smykem. Pevnost lepeného spoje je závislá rovněž na druhu lepidla, velikosti přeplátovaných ploch a síle vrstvy. Rozebírání lepených spojů je možno provádět mechanicky pomocí adhezního nebo kohezního lomu, stažením nebo odtržením. Rozebírání je možno provést i pomocí zahřátí ( 80OC až 250OC podle druhu lepidla), přičemž termoplastická lepidla se rozpouštějí, reaktoplastická rozkládají.

Jednoduché přeplátování

stykové

Jednoduchá styčnice

-126-

PRUŽINY A PRUŽNÁ SPOJENÍ Pružiny jsou konstrukční součásti k zachycení a akumulaci mechanické energie. Pomocí pružin lze měnit kinetickou energii na potenciální a naopak. K hlubšímu studiu a řešení speciálních problémů slouží odborná literatura (viz. seznam použité literatury [12]).

5.1 VELIČINY PRUŽIN 5.1.1 CHARAKTERISTIKY PRUŽIN Jsou to závislosti zatížení na deformaci pružiny (obr. 109). Tuhost pružiny: k = ∆F/ ∆s (N.mm-1), popř. kk =∆Mk/∆φ (N.mm.rad-1). Charakteristika pružiny je východiskem pro její návrh.

5.1.2 ENERGIE A ÚČINNOST PRUŽINY Práce vykonaná pružinou při zatěžování je znázorněna plochou diagramu pod charakteristikou (obr. 109).

Obr. 109. Charakteristiky pružin

Energie pružiny namáhané tahem, tlakem nebo ohybem: W = ∑ F(s).s,

SPSKS

kroucením: W = ∑ Mk(φ).∆φ

Pro pružiny s přímkovou charakteristikou

W = Fs/2 = ks2/2, popř. W = = Mk.φ/2 = kk.φ2/2 Ztráty mechanické energie u pružin vznikají v důsledku vnějšího a vnitřního tření, které vyvolává tlumení kmitů pružiny. Ztrátová energie W, se téměř celá přemění v teplo. Účinnost: i = (W— Wz)/W 1 — z, kde z = Wz/W je relativní ztráta, popř. relativní tlumení (obr. 110). Velikostí účinnosti pružiny se řídi její použitelnost. Jestliže η = 1, lze použít pružinu jako akumulátor energie, pro měření a omezení síly. Je-li η << 1, je pružina vhodná jako tlumič rázů a kmitů.

5.1.3 MATERIÁLY PRUŽIN

Obr. 110. Charakteristiky pružiny a deformační práce při vzniku ztrát

Používá se především ocel a pryž, novodobě i tekutiny. Pružinové oceli musí mít kromě dobrých elastických vlastností velkou pevnost. Dosáhne se toho vyšším obsahem uhlíku a legurami jako Cr, Mn, Si a V. Výběr vhodných ocelí na pružiny je v tab. 29 a 30. Pevnostní hodnoty lze zvýšit povrchovým zpevňováním kuličkováním. V elektrotechnice a přesné mechanice se kromě oceli používá na pružiny též fosforový nebo křemíkový bronz a mosaz. Pryž má oproti oceli podstatně větší tlumení a je elektrickým -127-

izolantem. Používají se přirozené i syntetické kaučuky. Z tekutin se používá nejčastěji vzduch a olej. Tab. 29. Výběr ocelí pro pružinové dráty

Tab. 30. Výběr ocelových pásů a plechů na pružiny a pružnice

SPSKS 5.2 KOVOVÉ PRUŽINY 5.2.1 DRUHY PRUŽIN, CHARAKTERISTIKA Pružiny se řadí mezi strojní součásti pro akumulaci energie, k nimž patří i závaží, setrvačníky, kyvadla. Pružiny dále zachycují a tlumí rázy, zajišťují vratné pohyby a rovnováhu sil. Používají se u dopravních prostředků, tvářecích nástrojů, přípravků, měřících přístrojů atd.. Dle materiálu, tvaru a namáhání lze rozdělit na (obr. 32): a) kovové namáhané ohybem — listové (obr. 111), šroubovité zkrutné, spirálové b) kovové namáhané krutem — šroubovité válcové (obr. 113) a kuželové, zkrutné tyče (obr. 112.) c) kovové namáhané kombinovaně — talířové, kroužkové d) nekovové — pryžové, plastové e) zvláštní — pneumatické a hydro-pneumatické (pružícím médiem je plyn a kapalina) např. v automobilech Citroen, autobusech apod.

-128-

SPSKS

-129-

SPSKS Tab. 32. Druhy pružin pro různá zatížení

5.2.2

ZÁSADY NÁVRHU PRUŽIN

Hlavní kritéria pro návrh pružin jsou: − dodržení požadované charakteristiky, -130-

− dodržení prostoru vymezeného pro pružinu, − spolehlivá funkce po dobu požadované životnosti.

5.2.2.1 POSTUP VÝPOČTU KOVOVÝCH PRUŽIN: 1 2 3 4

Vyber pružinu s ohledem na její charakteristiku časový průběh zatížení a popř. na stupeň využití. Návrh nebo návrhový (předběžný) výpočet hlavních rozměrů pružiny. Kontrola bezpečnosti. Kontrola dalších kritérií charakteristických pro příslušnou pružinu (např. únava, stabilita apod.).

Pokud možno používat normalizované pružiny.

Výpočet listové pružiny namáhané ohybem

Obr. 111. Listová pružina

SPSKS

Ohybový moment: Mo max = F.a, napětí v ohybu σ o =

M o max ≤ σ Dmo , Wo

modul průřezu pružnice v ohybu: Wo = 1/6i.b.h2 kde i je počet listů σ Dmo – dovolené mezní napětí v ohybu

Torzní tyče (obr. 112) Nejjednodušší pružiny, obvykle kruhového průřezu, namáhané krutem. Konstrukčně jsou upevněny na koncích nejčastěji jemným drážkováním. Charakteristické veličiny: napětí: τ k =

16.M k ≤ τ Dk = 600 až 1000 MPa např.pro ocel 14 260.6 , π.d 3

úhel zkroucení: ϕ =

32 M k .l ⋅ , π d 4 .G

energie pružiny: W = Mk.φ/2 . Postup výpočtu:

-131-

průměr stanovíme podle: d ≥ 3

16.M 8 , π.τ Dk

délka torzní tyče se stanoví: l =

π.d 4 .G.φ8 . 32.M 8

Obr. 112. Torzní tyč se základními rozměry

Výpočet šroubové pružiny tlačné Označení a indexy podle tab. 33 a obr. 113, 114 a 115

SPSKS

Tab. 33. Stavy pružin a odpovídající indexy

Tvarově je pružina určena zadanými parametry: F8, F1, h, D1 a NF. Je třeba rozhodnout o smyslu vinutí (přednostně pravý) a u tlačných pružin rozhodnout o tvaru závěrných závitů, u tažných o tvaru závěrných ok. Tlačná pružina může být otevřena (počet závěrných závitů nz = 0) nebo častěji uzavřená nz ≈ 1+1. Závěrné závity mohou být neobrobené nebo zbroušené, aby dosedací plocha byla rovinná. Nejčastěji je na každém konci zbroušeno ¾ závitu. Materiál se vybere z tab. 29 nebo 34. Pružina se zařadí do třídy a skupiny. Zvolí se optimální druh pružinového drátu pro zadané NF a F9 ≈ (1,1 až 1,2) F8 a odečte se jeho dovolené mezní napětí τDm ≈ τ9 a modul pružnosti ve smyku G. Napětí při stlačení τ8 ≈ 0,9 τDm. Výpočet se provádí pro prostý krut s korekcí na přídavný ohyb podle ČSN 02 6001 – 88 Šroubové pružiny válcové tlačné a tažné. Základní pojmy, veličiny, výpočet a směrnice pro konstrukci (obr. 113). Tuhost pružiny: k = (F8 — F1)/h = F/s => s1 a s8. Ze zadaného D1 se odhadne D = D1 — d.

-132-

Předběžný průměr drátu:

d´= 2.3

F8 .D , π.τ8

nebo

d´= 2.3

(F8 − F1 ).D . π.(τ8 − τ1 )

Obr. 113. Tlačná pružina

(2.1)

Obr. 114. Tažná pružina s předpětím

SPSKS Obr. 115. Tažná pružina bez předpětí

Poměr vinutí: i = d/d bývá při d ≤ 11,8 mm

4 ≤ i ≤ 16.

(2.2)

d > 11,8 mm

4 ≤ i ≤ 12.

(2.3)

Korekční součinitel: K =

i + 0,2 . 1−1

(2.4)

Korekce průměru drátu: d = d´3 K . Je-li i potom rozdíl mezi d a d´, je nutno výpočet opakovat tak dlouho, až se dosáhne správného i a K. Potom se průměr drátu zaokrouhlí na normalizovaný (tab. 35). Tab. 35. Normalizované průměry drátů a tyčí (rozměry v mm).

-133-

Pevnostní kontrola navrženého drátu:

τ8 =

8.F8 .D.K ≤ 0,9.τ Dm , π.d 3

(2.5)

1 d 4 .G Počet činných závitů: n = . . k 8.D 3 Výpočet délky tlačné pružiny: Celkový počet závitů: z = n + nz. Zaokrouhlit na celé číslo nebo na polovinu závitu. Délka pružiny v mezném stavu: 19 = (z + 1 – zo). kde zo je celkový počet obrobených závěrných závitů: z0 ≈ (0,5 až 0,75) závitu. Horní mezní rozměr délky pružiny v mezním stavu: obrobené opěrné plochy: při z ≤ 10,5; l9 max = z.d, při z > 10,5; 19 nmax = 1,0519, opěrné plochy neobrobené: l9 max = 1,03l9.

SPSKS

Mezní zkušební délka tlačné pružiny: lmin F = 19 max + Sa min,

kde Sa min je součet nejmenších dovolených vůlí mezi činnými závity pružiny ve stavu plně zatíženém. Sa min = din/50, kde při d < 1 mm se počítá s d = 1 mm a při i < 5 se počítá s i = 5. Délka pružiny ve stavu plně zatíženém: 18 ≥ lmin F (volí se). Délka pružiny ve stavu předpruženém: l1 = 18 + h. Délka pružiny ve stavu volném: 10 = 11 + s1 = 18 + s8 má být: při d ≤ 11,8 mm: D ≤ 10 ≤ 10D a l0 ≤ 800 mm, při d > 11,8 mm: 60 mm ≤ l0 ≤ 800 mm. Rozteč činných závitů ve volném stavu: t = a + d, kde: a — je vůle mezi činnými závity: a = s9/n; t — má být při d ≤ 11,8 mm: 0,3D + 0,2mm ≤ t 0,6D, při d > 11,8 mm: 1,5d ≤ t ≤ 0,55D. Délka rozvinuté pružiny: L ≈ 3,2D.z.

-134-

SPSKS

-135-

Válcové šroubovité pružiny tažné s předpětím nebo bez předpětí (obr. 114 a 115), ČSN 02 6001 – 88) Dáno: l1, 18 a F8 a přibližné hodnoty F1 a D1. Tuhost pružiny: bez předpětí: k =F8/s8, s předpětím: k = (F8 – F0)/s8. Průměr drátu d a napětí τ8 se vypočte z rov. (2.1) až (2.5) Síla předpětí:

π.d 3 .τ 0 F0 = , 8.D.K kde τ0 je napětí v krutu ve volném stavu (u tažné pružiny s předpětím); volí se 300/i ≤ τ0 300/i + 60 MPa. Volná délka: l0 =

l1 (F8 − F0 ) − l 8 (F1 − F0 ) . F8 − F1

není-li splněna podmínka l0 < l1, je nutno upravit sílu F1. Počet závitů: n =

SPSKS G.s8 .d 4 . 8.(F8 − F0 ).D 3

Výška závěsného oka: o = (10 — 1z)/2, kde délka části vytvořené závity (n = z) volném 1z je při: závitech k sobě přiléhajících: pro d ≤ 11,8 mm 1z = 1,03(z + 1)d, pro d > 11,8 mm 1 = (l,25z + l)d, vůli mezi závity: 1z = z.t + d; běžně se volí 1z ≥D. Podle hodnoty o se zvolí tvar závěsných ok podle ČSN 02 6001 – 88 Šroubovité pružiny válcové, tlačné a tažné. Základní pojmy, veličiny, výpočet a směrnice pro konstrukci, nebo podle Strojnických tabulek. Rozteč závitů t = (lz + d)/z. Další výpočty tlačných a tažných pružin, jako výpočet na únavu, výpočet dovolených deformací pružiny, vlastního kmitání a bezpečnosti při vzpěru tlačných pružin jsou v ČSN 02 6001 – 88 a ve Strojnických tabulkách

Tuhost pružiny

k=

F F je vychylující sila s je výchylka s

Příklad: Jaká síla je zapotřebí ke stlačení tlačné pružiny s tuhostí k = 60 n/mm o 3 mm? Řešení: F = k.s = 80 N/mm . 3 mm = 180 N

-136-

PRUŽINY NAMÁHANÉ TAHEM A TLAKEM 6.1 KROUŽKOVÁ PRUŽINA (obr.116)

Obr. 116. Kroužková pružina a) nezatížená, b) zatížená, c) charakteristika a deformační energie; l1 — délka nezatížené pružiny, l8 — délka zatížené pružiny, l9 — délka pružiny v zablokovaném stavu, s — stlačení, F1 — síla při zatížení, F2 — sila při odlehčení

Tahové napětí ve vnitřním kroužku:

σa =

F ≤ σD , π.b.h a .tg (α + ϕ)

tlakové napětí ve vnitřním kroužku:

σi =

SPSKS

F ≤ σD . π.b.h i .tg (α + ϕ)

Stlačení: s=

(n − 1).F.(D a .h i + D i .h a ) ≤ σD 2.π.b.E.h a .h i .tg (α + ϕ)

Síla při zatížení (stlačení): F1 = Fr.tg(α + φ), při odlehčení F2 = Fr tg(α – φ); Fr je radiální síla v kroužku, n – počet kroužků, ha – tloušťka vnějšího kroužku, hi – tloušťka vnitřního kroužku, ha/hi ≈ 1,3, třecí úhel φ ≈ 6 až 10°, α ≈ 14 až 20°, σD = 800 až 1 200 MPa. V zatíženém stavu (8) musí zůstat vůle v ≈ 0,005(Da + Di). Délka pružiny v zablokovaném stavu l9 = 0,5(n – 1)b.

6.2 TALÍŘOVÁ PRUŽINA (obr. 117) Použití: Pro velká zatížení a malé zdvihy. Mohou pracovat jednotlivě nebo v sadách (obr. 117 a 118). Charakteristika pružiny není přímková a je ovlivněna tím, že přírůstek síly na 1 mm průhybu se s rostoucím průhybem zmenšuje. Největší napětí (tlakové) nastane na vnitřní horní hraně, tahové napětí na vnější spodní hraně.

-137-

Obr. 117. Talířová pružina jednoduchá

6.3 PRYŽOVÉ PRUŽINY Výhody: oproti oceli větší schopnost tlumení v důsledku vnitřního tření, větší tažnost. Nevýhody: podstatně nižší tepelná zatížitelnost (do 85°C), možnost stárnutí a u přírodní pryže špatná odolnost v některých prostředích (benzín, benzol, olej) Základní tvary a výpočty pryžových pružin uvádí tabulka 36.

6.4 TEKUTINOVÉ PRUŽINY Využívá se v nich stlačitelnost media (obr.119), kterým je nejčastěji vzduch nebo olej. Charakteristika je progresivní a pružin se používá v motorových vozidlech a při tváření.

SPSKS Obr. 118. Sada talířových pružin a jejich charakteristiky a) jednoduchá pružina, b) sada s uložením přilehlým, c) sada s uložením protilehlým, d) sada s uložením kombinovaným

Obr. 119. Tekutinová pružina

6.5 Paralelní (obr.120)

uspořádaní

pružin

Pružiny stejné délky: Sc = S1 + S2... = Sn, Fc=F1 + F2+. + Fn = ∑ Fi ,

obr. 120. Svazek paralelně řazených pružin a) stejné délky, b) se zpožděným působením

kc=k1 + k2 +...+ kn = ∑ ki=konst Pružiny různé délky:

-138-

sc = s1 = s2 + sz1 = s3 + sz1 + sz2 = …, Fc = ∑ Fi kc ≠ konst. – progresivní charakteristika Svazek paralelně řazených pružin je vždy tužší než kterákoli z použitých pružin. Podobně jako šroubovité pružiny mohou se spojovat i pružnice, talířové a pryžové pružiny. Tab. 36. Základní tvary pryžových pružin

SPSKS Opakování a prohloubení znalostí 1. K čemu se používají pružiny? 2. Jakou tuhost má tlačná pružina, vyžadující ke stlačení o 5,5 mm sílu 400N?

-139-

3. Jaké druhy pružin rozlišujeme? 4. Na jakém principu fungují prstencové pružiny?

DRUHY ZVLÁŠTNÍCH SPOJŮ Spojení přehybem – obrubové Spojení přehybem se používá nejčastěji ke spojování dutých válcových nebo válcově vytvarovaných součástí s kotoučovými deskami. Toto spojení je pevné a nerozebíratelné. Součásti jsou zajištěny jak proti axiálnímu posunutí, tak i radiálnímu posunutí. Mohou být pojištěny i proti otáčení. V místě průhybu dochází k plastické deformaci. Aby se v místě přehybu nevytvořili trhliny, musí být materiál dostatečně měkký nebo se musí tepelně zpracovat např. žíháním. Nejčastěji se pro spojení používají hlubokotažné ocelové plechy.

Spojení promáčknutím – vrubové Spojení promáčknutím se používá k pevnému a nerozebíratelnému spojení dvou do sebe nasunutých dílců. Spojení je vytvořeno plastickou deformací.

Rozpěrné spoje Vznikají vzpříčením jedné součásti ve druhé. Deformují se plasticky nebo pružně.

Spojení lemováním Spojení lemováním se používá zejména pro spojování plechových součástí. Před spojením se plechové dílce vytvarují ohýbáním na takový tvar, aby dílce do sebe zapadaly, a pak stlačením následným přehybem spoj dotvarujeme. Vzniká pevné a nerozebíratelné spojení.

SPSKS

Spojení tmelením

Nerozebíratelné a tuhé spojení dvou dílců. Tmel tvoří výplň dutých prostorů. Tmelení se používá i k těsnění proti vnikání vlhkosti či prachu. Ke spojení dochází působením adhezních sil mezi dvěma součástmi.

ULOŽENÍ Uložení je spojení součástí, které umožňuje vzájemný pohyb buď otáčivý – ložiska, nebo posuvný – vedení.

8.1 LOŽISKA – ROZDĚLENÍ LOŽISEK Co jsou ložiska a k čemu slouží? Ložiska jsou strojírenské součásti, jejichž hlavním úkolem je změna translace na rotaci. Užívají se zejména k uložení čepů hřídelů přenášejících otáčivý pohyb a k zachycení sil působících na hřídel. Podle druhu tření se ložiska dělí na valivá a kluzná. Valivé ložisko se obvykle skládá z vnějšího kroužku, vnitřního kroužku, valivých tělísek (umožňují otáčivý pohyb) a klece (zajišťuje rozteč valivých tělísek). Podle tvaru valivých tělísek a jejich styky s oběžnými drahami kroužků se rozlišují ložiska s bodovým stykem (kuličková) a ložiska s přímkovým, resp. křivkovým stykem (válečková, soudečková, kuželíková). V případě kluzných ložisek je funkční plocha pohybujících se částí částečně nebo úplně oddělena vrstvou - mazivem. -140-

8.1.2 ROZDĚLENÍ LOŽISEK Podle druhu vznikajícího tření: −

kluzná ložiska

− valivá ložiska

Podle zachycujících sil: − axiální − radiální

14.2.1.1 KLUZNÁ LOŽISKA Charakteristika: Kluzná ložiska zajišťují požadovanou polohu hřídelů. Umožňují otočné uložení čepů a hřídelí, zachycují působící radiální a axiální síly a přenáší tyto síly na ostatní části mechanismu nebo stroje. Mezi ložiskem a hřídeli vzniká kluzné tření, které způsobuje opotřebení součástí a ztráty energie. Na velikost tření má vliv tlak v ložisku, materiál ložiska a hřídele, kvalita povrchu, obvodová rychlost, provozní teplota. Tření lze ovlivnit vhodnou konstrukcí a mazáním.

Výhody oproti valivým ložiskům: − − − − − −

SPSKS

jednoduchá montáž a demontáž (hlavně u dělených ložisek), umožňují přesné uložení hřídelů, menší vnější průměr, klidný a tichý chod, snáší i rázovitá zatížení, některá ložiska jsou vyrobena ze speciálních materiálů => ložisku nevadí práce bez mazání, za vyšších teplot či v nevhodném prostředí (vlhko, chemicky agresivní, atd.).

Nevýhody oproti valivým ložiskům: nutnost přesné výroby (dodržování tolerancí), větší délka ložiska, větší nároky na údržbu (mazání, čistota prostředí) => Nebezpečí zadření, nevhodnost do zařízení, která se často zastavují => při rozběhu ložisko v oblasti suchého tření => poškozování ložiska, − méně vhodné pro přerušovaný chod.

− − − −

Konstrukční zásady Vůle v ložisku umožní vytvoření vrstvy maziva (film). Velká vůle zlepší mazání, zhorší únosnost. Drsnost povrchu je Ra = 0,4 — 0,8.

Materiály ložisek Vzhledem ke snadnější výměně ložiska je vhodné aby hřídelový čep měl tvrdší povrch. Pro hřídele volíme materiál s vyšším obsahem uhlíku. Požadavky na materiál ložisek jsou odolnost proti zadírání a opotřebení, velká zatížitelnost, korozivzdornost, dobrá tepelná vodivost a malá teplotní roztažnost. Materiály: kompozice, slitiny mědi nebo hliníku, spékané kovy, šedá litina, plasty, pryž

-141-

Konstrukční zásady radiálních ložisek − − − − −

Konstrukčně jsou pouzdra a pánve řešeny jako: jednovrstvé tenkostěnné jednovrstvé tlustostěnné, dvouvrstvé (bimetalické), vícevrstvé — nový moderní typ ložiska, existují i tzv. segmentová ložiska (pro velké obvodové rychlosti). Konstrukční zásady axiálních ložisek:

− menší uplatnění vzhledem k malé únosnosti, − kombinují se s radiálními ložisky, − jsou provedená jako patní nebo prstencová.

Mazáni a tření ložisek Mazáním se snižuje tření a odvádí teplo. Rozlišujeme tři druhy kluzného tření — suché, polosuché a kapalné. Tření se projevuje třecí silou Ft, nebo třecím momentem Mt. Třecí sílu Ft lze vyjádřit pomocí Coulombova zákona: Ft = µ . Fn Kde Fn je přítlačná síla, kolmá třecím plochám a součinitel tření µ = tg ρ (ρ je třecí úhel). Kluzná ložiska se běžně dělají pro obvodové rychlosti 70 až 80 m.s-1, speciální pro rychlosti až 100 m.s-1. U valivých ložisek nesmějí být překročeny mezní otáčky (jsou uvedeny v příslušných ČSN a ve Strojnických tabulkách.

SPSKS

Hydrodynamické tření

V kluzném ložisku s hydrodynamickým mazáním se vytváří a udržuje film maziva díky otáčení čepu (obr. 125). Při rozběhu na sebe mohou přiléhat přímo kovové plochy (mazivo je statickým tlakem vytlačené) a dochází ke smíšenému tření. Při otáčení strhává plocha čepu mazivo z nezatížené strany a vtáhne je na nenamazanou plochu pánve ložiska. Tlak maziva vtahovaného do mezery na nenamazané straně nadzvedne hřídel a tření se zmenší na provozní hodnotu. Při dostatečné obvodové rychlosti povrchu čepu plave čep na olejovém filmu (kapalinové tření).

Víceplochá kluzná ložiska mají více klínových mazacích mezer (obr. 125). Při excentrické poloze čepu v pouzdře (při rozběhu) dojde vzhledem ke kratšímu klínovému náběhu maziva do místa bez maziva k rychlejšímu rozetření maziva po celé ploše a tím k rychlejšímu vznosu pokleslého čepu v pouzdře. Hydrodynamicky mazaná kluzná axiální ložiska s naklápěcími segmenty (plněná nepřetržitě olejem pod vysokým tlakem) se používají jako nosná ložiska vodních turbín se svislou osou. Rotor turbíny s rotorem generátoru na jedné vertikální ose má např. hmotnost 350 tun a musí se tlakem oleje v ložisku nejprve zvednout a teprve pak se může na turbinu přivést voda. Mazací systémy Mazivo se přivádí mazacími kanálky přímo do mazací kapsy tvořené mezerou v odlehčené části ložiska, nebo do klínových mazacích kapes (obr. 125).

-142-

Plastické mazivo může být do kluzného ložiska vtlačeno např. šroubovacím víčkem Staufferovy maznice, přes mazničku z externí maznice (při pravidelné údržbě) nebo tlakovým vedením z centrálního mazacího systému. Při mazání kluzných ložisek olejovou lázní je olej unášen k mazaným plochám rotujícími kroužky nebo kotouči z lázně, jejíž hladina se má udržovat v předepsané výšce. Kluzná ložiska velmi zatížených nebo svislých hřídelů používají mazání s oběhem oleje, které doplňuje v potřebném množství vytlačovaný, vytékající nebo odstřikující olej, který je zachycován a vracen zpět. Čerpadlo vtlačuje olej pod tlakem 50 až 300 kPa do mezery mezi kluznými plochami. Olej vytékající z ložiska je zachycován a sváděn do nádrže čerpadla. Pokud se olej kvůli velkému zatížení nebo vysokým otáčkám hřídele příliš zahřívá, musí být chlazen v průtokovém chladiči.

Hydrostatické mazání Při hydrostatickém mazání kluzných ložisek se čerpá olej pod tlakem do olejových kapes . Do každé kapsy proudí konstantní objemový tok oleje, čerpaného speciálním olejovým čerpadlem. Při radiálním zatížení hřídele se jeho osa vychýlí ve směru působení síly. Vzhledem ke konstantnímu objemovému průtoku stoupá tlak na straně s užší mezerou mezi kluznými plochami a na protější straně tlak klesá. Vznikající síly vycentrují osu hřídele vůči ložisku. Tato stabilita je zaručena i ve stavu klidu a rozběhu. Jsou tím vyloučené vibrace (kmitání) při kluzném pohybu, ke kterým dochází při periodickém kontaktu kluzných ploch (Stick-Slip). Hydrostatické mazání se používá např. pro mazání velmi zatěžovaného a rychle se otáčejícího hřídele hlavního vřetena obráběcího stroje.

SPSKS

Konstrukce kluzných ložisek Základní částí ložiska je ložiskové pouzdro, pánev nebo segmenty, tzv. funkční tělesa ložiska. Funkční tělesa ložiska zajišťují přímý styk uložení hřídelů pomocí čepů tak, aby tento tribologický uzel vyhovoval provozním poměrům přesnosti uložení, aby zátraty třením byly co nejmenší při malém opotřebeni čepu i ložiska, což zvyšuje jeho životnost. Přímý styk čepu s ložiskem se děje pomocí pouzdra pánve nebo segmentů. Příklady uložení pouzdra a pánve v ložiskovém tělese radiálních ložisek jsou na obr. 120 až 123, axiální ložisko na obr. 124. Pouzdra a pánve musí být pojištěny proti pootočení i posunutí. Rozměry (obr. 61 až 6.3): d — vnitřní průměr, s = tloušťka, D = vnější průměr, L = délka. Tvary: cylindrický (válcový), s jednou nebo dvěma přírubami, mohou být tlustostěnné nebo tenkostěnné s kluznou vrstvou nebo bez kluzné vrstvy. Způsob výroby tváření, odlévání nebo střihání z pásů.

-143-

Obr. 120. Pouzdro nalisované do přírubového tělesa ložiska

Obr 121. Kloubové ložisko Ložisko s kulovou pánví je naklápěcí (samonastavitelné) při průhybu hřídele

SPSKS Obr 123. Dělené ložiskové těleso s pánví. Dělicí rovina musí procházet osou hřídele, popř. je s ní rovnoběžná

Obr. 124. Axiální ložisko s pevnými segmenty

Provozní poměry ložisek Kluzná ložiska z hlediska provozních poměrů: 1. Ložiska s hydrodynamickým (gazodynamickým) mazáním. Při otáčení čepu se mezi ním a ložiskem vytvoří klínová mezera, ve které vznikne celistvý film dostatečné tloušťky potřebné k úplnému odděleni třecích povrchů od sebe. Používají se nejčastěji. Při rozběhu nastává tření smíšené, proto toto mazání. 2. Ložiska s hydrostatickým (gazostatickým) mazáním, u nichž nosná mazací vrstva a tlak se vytvoří přívodem tlakového oleje z čerpadla (tlakového plynu z kompresoru). Celistvá mazací vrstva je už při rozběhu. 3. Ložiska s omezeným mazáním pracují v oblasti tření s malým množstvím oleje nebo plastického maziva. Základní materiál musí mít dobré kluzné vlastnosti.

-144-

4. Samomazná pórovitá ložiska se vyrábějí práškovou metalurgií. Po zhotoveni se nasycují mazivem, které během provozu vystupuje na povrch a vytváří potřebnou mazací vrstvu. 5. Samomazná ložiska s tuhými mazacími prostředky obsahují ve své struktuře mazací látku (např.grafit). Používají se tam, kde mazaní jiným způsobem není možné z konstrukčních, provozních nebo ekonomických důvodů. 6. Hybridní ložiska pracují na principu hydrostatického a hydrodynamického mazání. V počáteční a konečné fázi pohybu se zapojí hydrostatické mazáni a během hlavní pracovní fáze pracuje jako hydrodynamické ložisko. 7. Kluzná ložiska pro vysoké otáčky. Jsou to víceplošná ložiska (obr. 125a, b) nebo radiální ložiska s naklápěcími segmenty (obr. 125c). Tato ložiska s pevnými i naklápěcími segmenty se používají při vysokých otáčkách z důvodů ustálení precesního pohybu čepu okolo rovnovážné polohy.

SPSKS

Obr. 125. Víceplošná ložiska. a) dvojplošné (symetrické) ložisko pro oba smysly otáčení, b) trojplošné (nesymetrické) ložisko pro jeden směr otáčeni, c) ložisko s naklápěcími segmenty

8. Axiální segmentová ložiska s hydrodynamickým mazáním. Vznik souvislé olejové mazací vrstvy závisí na množství oleje, jeho viskozitě, sklonu segmentu a obvodové rychlosti čepu (běhounu). Sklon nosných segmentů odpovídá provozním poměrům. Výhodnější jsou nastavitelné segmenty, které se samočinně nastavují podle provozních poměrů. 9 Axiální ložiska s hydrostatickým mazáním mají zdrojem tlaku čerpadlo jako u radiálních ložisek.

Nízkoúdržbová a bezúdržbová kluzná ložiska Příkladem automatické tlakové maznice je maznice s nádobkou s kyselinou citrónovou, oddělenou membránou a pístem od nádobky s mazivem podle obrázku:

Automatická maznice

-145-

Po zašroubování aktivačního šroubu padne do kyseliny tableta ze spékaného prášku ZnMo a pomalu se zde rozpadá za vývinu plynu, který tlačí na membránu. Membrána stlačuje dutý píst a vytlačuje mazivo na mazané místo. S rostoucí výchylkou pístu se ztenčuje membrána a plyn může pronikat difuzí do prostoru mezi membránou a pístem. Tlak plynu v tomto prostoru tlačí na píst, až nalehne na stěny pouzdra. Automatické mazací systémy se používají i pro mazáni valivých ložisek a vedení.

Bezúdržbová kluzná ložiska. Při použití tohoto ložiska vydrží jeho vlastní mazivo na celou dobu životnosti ložiska. K bezúdržbovým ložiskům také patří (plastová) ložiska z teflonu (PTFE), spékaná ložisková pouzdra nasycená mazivem a ložiska s vrstvami s částečkami pevných maziv. Bezúdržbová ložiska mohou být také tvořena ocelovými pánvemi s nanesenou spékanou bronzovou kluznou vrstvou. V kluzné vrstvě může být jemně rozptýlený grafit.

Konstrukce bezúdržbového kluzného ložiska

Tato ložiska mají kromě dobrých mechanických vlastností nepatrné tření a dají se používat až do teploty 350°C.

SPSKS

Provozní poměry ložisek závisejí na materiálových vlastnostech dvojice ložisko – čep a na vlastnostech maziva.

Materiály funkčních kluzných vrstev Přehled normalizovaných materiálů na výrobu ložisek a kluzných vrstev je v tab. 37 a 38. Požadavky na kluzná ložiska jsou tak různorodé, že jim v plném rozsahu nemůže vyhovět žádný materiál a podle nich volit kompromisní řešení. Hlavní kritéria pro posuzování ložiskových materiálů: − odolnosti proti zadíraní, − přizpůsobivost a pohlcování cizích tvrdých částic, − zatížitelnost a únavová pevnost, − korozivzdornost a otěruvzdornost, − hodnoty součinitele tření.

-146-

Tab. 37. Kovové materiály pro kluzná ložiska (ČSN 02 3401-87)

SPSKS

-147-

Tab. 38. Nekovové materiály pro kluzná ložiska (ČSN 02 3401-87)

SPSKS Zkoušky kluzných ložisek Druhy zkoušek a ložiskových materiálů závisejí na provozních poměrech a lze je rozdělit na: 1. Zkoušky kluzných materiálů: průběh součinitele tření, velikost a charakter opotřebení, průběh teplot, změny materiálů v procesu opotřebení apod. 2. Zkoušky vlastností ložisek pro požadované provozní poměry: zadírací a zatěžovací zkoušky, při kterých se postupně zvyšuje zatížení, resp. kluzná rychlost a určuje se součinitel tření, teploty a popř. opotřebení. Zkouší se životnost a spolehlivost ložisek. Zkouší se i únavové vlastnosti materiálů.

-148-

3. Zkoušky ložisek v jednotlivých agregátech: hodnotí se životnost a spolehlivost tribologického uzlu.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jak vzniká mazací film v kluzném ložisku s hydrostatickým mazáním? 2. Proč nedochází k opotřebení ploch hydrostaticky mazaných kluzných ložisek? 3. Jaké výhody a nevýhody má hydrostatické mazání oproti hydrodynamickému mazání? 4. Proč musí být silně zahřívaný olej chlazen v olejovém chladiči? 5. Jaké jsou příčiny silného zahřívání mazacího oleje? 6. Jak funguje mazání s oběhem oleje?

14.2.1.2 VALIVÁ LOŽISKA Druhy, konstrukce a použití Valivá ložiska se skládají zpravidla ze dvou kroužků, valivých těles a klece (obr. 126a); podle směru sil, které mohou zachycovat, se rozdělují na radiální a axiální. Většina radiálních ložisek může však zachycovat i axiální síly a některá axiální ložiska i síly radiální. U radiálních ložisek se udává únosnost pro síly radiální, u axiálních ložisek se únosnost vztahuje na síly působící ve směru osy. Podle tvaru valivých těles jsou ložiska kuličková, válečková, kuželíková, soudečková a jehlová. U kuličkových ložisek nastává teoretický styk v bodě (bodový styk), u ostatních ložisek vzniká styk v čáře (čárový nebo přímkový styk). Valivá tělesa se odvalují v oběžných drahách kroužků a klecí, jsou udržována v pravidelných vzdálenostech. Bývají uspořádaná v jedné nebo ve dvou řadách a jsou udržována v pravidelných odstupech pomocí klece, která také zabraňuje vypadnutí valivých těles při rozebíraní rozebíratelného ložiska. Valivá tělesa i kroužky se vyrábějí z ložiskové oceli, např. ČSN 14 109 (100Gr6) nebo 100CrMo6. Klece bývají z oceli, masivní mosazi nebo mosazného plechu, též z polyamidu.

SPSKS

Přednosti proti kluzným ložiskům:

Nevýhody proti kluzným ložiskům

− malé tření a malé zahřívání

− citlivost na prach, nárazy a vysoké teploty − větší hlučnost − větší vnější průměr ložiska

− velká zatížení při nízkých otáčkách − zaměnitelnost díky typizovaným velikostem − vyrovnání průhybu hřídele naklápěcími ložisky

− menší nosnost při stejném průměru a menší tlumení vibrací

Typy a hlavní rozměry valivých ložisek jsou mezinárodně normalizovány a jsou obsahem katalogů výrobců. Valivá ložiska SKF jsou v SKF – Hlavní katalog. SKF Československo, a.s,, Praha 1922, valivá ložiska ZKL Valivé ložiska. Katalog 324 – 29/89 – S, ZVL Považská Bystrica 1989. S cílem omezit počet velikostí ložisek z důvodů cenových, kvalitativních i snadné náhrady vytvořila Mezinárodni organizace pro normalizaci ISO rozměrové plány valivých ložisek metrických rozměrů. V rozměrovém plánu ISO jsou každému normalizovanému průměru díry d přiřazeny odstupňované průměry D podle průměrových řad (průměrové řady mají označení podle stoupajícího vnějšího průměru: 8, 9, 0, I. 2, 3 a 4). V každé průměrové řadě jsou ložiska -149-

různých šířkových řad (řady: 8, 0, 1, 2, 3, 4, 5 a 6 podle rostoucí šířky). Šířkovým řadám radiálních ložisek odpovídají výškové řady axiálních ložisek. Spojením průměrových a šířkových, popř. výškových řad vznikají rozměrové řady označené dvěma číslicemi. První číslice označuje šířkovou nebo výškovou řadu a druhá průměrovou řadu. Vztah mezi průměrovou řadou, šířkovou řadou a rozměrovou skupinou je na obr 126b Dvoumístné číslo rozměrové řady je úplně nebo zkráceně obsaženo v označení ložiska, jehož první písmeno nebo číslice vyjadřuje typ ložiska ČSN 02 4608 – 85 Označování valivých ložisek. Příklad označení: 6204 6 – jednořadé radiální kuličkové ložisko 62 – ložisková řada 02 – rozměrová řada (0 – šířková, 2 – průměrová) 04 x 5 = 20 mm – vrtání d Pro kuželíková ložiska podle ČSN ISO 355 je nové označení, a to:

− úhlová řada – tab. 39a, − průměrová řada – tab. 39b, − šířková řada – tab. 39c.

SPSKS

a třímístný průměr vrtání v mm.

Rozměrová řada = úhlová + šířková + průměrová řada. Příklady označeni podle ISO:

2DB020 je podle starého označení CSN 30204, 2FB050 je podle starého označení ČSN 30310, 3FCIOO je podle starého označení ČSN 32220. (Podrobně v ISO 355 a v SKF – Hlavní katalog. SKF Československo, a.s,, Praha 1922, valivá ložiska ZKL Valivé ložiska. Katalog 324 – 29/89 – S, ZVL Považská Bystrica 1989).

Obr.126a. Valivá ložiska a) součásti, 1 – vnitřní kroužek, 2 – vnější kroužek, 3 valivé těleso, 4 – klec.

Obr. 126 b) rozměrový plán

-150-

Každý druh valivých ložisek může obsahovat několik typů s různou vnitřní konstrukcí. Přehled základních typů podle ČSN a odpovídajícího mezinárodního doporučení ISO je v tab. 40 s údaji pro jejich zobrazení podle ČSN 0103222 – 81 Zobrazování valivých ložisek. Základní druhy se vyrábějí v různých provedeních, odlišujících se některými vlastnostmi od základní konstrukce, např. s menší nebo větší radiální vůlí, s jiným provedením klece (masivní, středěna na kroužcích), s vyšší přesností rozměrů, se stabilizací pro vyšší provozní teploty, ve speciálním provedení podle zvláštních technických podmínek aj. Tyto různé odlišnosti vyjadřuje přídavné označení před nebo za základním označením ložiska v ČSN 02 4608 – 85 Označování valivých ložisek a v SKF – Hlavní katalog. SKF Československo, a.s,, Praha 1922. Některá další běžná ložiska jsou na obr. 127.

SPSKS

Obr. 127. Speciální ložiska a) kuličkové ložisko upínací, b) kuličkové se čtyřbodovým stykem, c) kuličkové uložení vřetena, d) kuličkové s kosoúhlým stykem, e) křížové ložisko, f) jehlové kombinované s kuličkovým, g) jehlové kombinované s axiálními válečkovými Tab. 39. Označování řad kuželíkových ložisek (ISO 355)

-151-

Tab. 40. Druhy valivých ložisek

SPSKS

Tab. 40. pokračování

-152-

SPSKS

Tab. 40. pokračování

-153-

SPSKS

Hybridní ložiska. Jsou-li na uložení hřídele kladeny nejvyšší požadavky týkající se přesnosti, stability při vysokých otáčkách a tuhosti, jako např. při uložení pracovního vřetena

-154-

obráběcího stroje, používají se valivá ložiska s keramickými valivými tělesy. Kvůli rozdílům materiálů kroužků (ocel) a valivých těles se tato ložiska označují jako hybridní. Keramická valivá tělesa se vyrábějí z nitridu křemíku (Si3N4), který má oprati oceli menší hustotu a menší teplotní roztažnost. Kromě toho je tvrdší, elektricky nevodivý, má větší pevnost v tlaku a je méně náročný na mazání.

Celokeramická ložiska. U celokeramických ložisek jsou keramické i kroužky. Tato ložiska jsou odolná proti korozi a proti mnoha kyselinám a louhům, jsou odolná proti vyšším teplotám do 800°C a jsou nemagnetická. Při použití těchto ložisek v čerpadlech vody nebo kyselin mohou být ložiska mazána přímo těmito medii. Montáž ložisek Pevná a axiálně volná ložiska. Uložení hřídele v ložiskách je většinou pevné, zatímco uložení jednoho z ložisek ve skříni může být axiálně volné (obr. 128). Ložiska obou typů jsou radiálně zatěžována. Pevné ložisko zachycuje axiální síly, zatímco se volně uložené ložisko může axiálně, při prodlužování hřídele vlivem tepla, volně posouvat. Zabrání se tak pnutí hřídele a ložisek. Válečková ložiska bez vymezených drah a jehlová ložiska mohou vyrovnávat axiální posuvy hřídele.

Axiálně pevné uložení. Uložení v symetricky zabudovaných ložiscích zachycujících opačné axiální síly, např. kuličkových ložiscích s kosoúhlým stykem nebo kuželíkových ložiscích (obr. 129), je axiálně pevné a neumožňuje proto prodloužení hřídele při jeho zahřátí. Používá se proto jen pro uložení krátkých hřídelů.

SPSKS

Plovoucí uložení. Při plovoucím uložení má hřídel v jednom z ložisek axiální vůli 0,5 mm až 1 mm. Snižují se tím náklady na montáž. Při změně směru axiální síly se může hřídel v ložisku nepatrně posunout. Plovoucí uložení se rovněž hodí jen pro uložení krátkých hřídelů (obr. 130).

Obr. 128. Pevně a axiálně volně uložené ložisko

Obr. 129. Axiálně pevné uložení

Zatížení ložisek Má-li nerozebíratelné valivé ložisko umožnit axiální pohyb hřídele, je třeba určit, má-li uložen s vůlí vnitřní kroužek na hřídeli, nebo vnější kroužek ve skříni. Určení místa vůle závisí na způsobu zatížení a zdroji pohybu. Rozlišujeme bodové zatížení (jednoho místa kroužku) a obvodové zatížení (celého kroužku). Zatížení ložiska přitom směřuje od vnitřního nebo od vnějšího kroužku ložiska.

-155-

Obvodové zatížení zatěžuje při otáčení ložiska postupně všechny body vodicí drážky kroužku (obr. 131, nahoře: vnitřní kroužek, dole: vnější kroužek). Obvodově zatěžovaný kroužek musí být uložen tím pevněji, čím větší je zatížení, aby se nezačal při periodické deformaci uvolňovat a protáčet oproti hnacímu dílu. Protáčením by se poškodil kroužek ložiska i hnací díl (hřídel nebo kolo). Dochází k tzv. korozi třením (zadírání).

Obr. 130. Plovoucí uložení

Obr. 131. Zatížení valivých ložisek

Bodové zatížení zatěžuje při otáčení ložiska stále stejný bod nehybného kroužku (obr. 131, nahoře: vnější kroužek, dole: vnitřní kroužek). Bodově zatížený kroužek se neotáčí, může být proto uložen s vůlí, která umožňuje axiální posun.

SPSKS

Slícování a smontování kuličkového ložiska

Mezi valivými tělesy a kroužky je většinou nepatrná vůle v axiálním i v radiálním směru (obr. 132). Radiální vůle se zmenší při montáži ložiska s přesahem (na hřídel nebo do skříně) nebo při vyšší provozní teplotě hůře chlazeného vnitřního kroužku za provozu. Výsledná vůle se označuje jako provozní vůle ložiska. Čím menší má ložisko provozní vůli, tím přesnější vedení poskytuje. Přesného vedení pracovního vřetena obráběcího stroje lze dosáhnout zápornou provozní vůlí ložiska, jehož kroužky jsou předepnuté. Předepnutí se dá docílit vzájemným axiálním posunutím kroužků ložiska s kosoúhlým stykem pomocí nastavovací(seřizovací) matice, nebo přišroubované příruby a podložek (obr. 133). U ložisek s kuželovou dírou a rozpínacím pouzdrem se nastavuje provozní vůle utahováním upínací matice.

Obr. 132. Radiální a axiální vůle

obr. 133. Uložení s předepnutím

Zásady pro montáž valivých ložisek: Valivá ložiska jsou citlivá na znečištění a korozi. Při montáži ložiska je proto nutné dodržovat co největší čistotu. Ložiska mají být udržována co nejdéle v originálním balení a konzervační antikorozní olej by měl být z ložisek odstraněn teprve během montáže.

-156-

Při montáži ložiska se nesmí přenášet nasouvací síla lisu přes valivá tělesa (obr. 134). Montážní tlačné pouzdro se proto musí opírat o kroužek, který je nasouván do pevného uložení. Valivá ložiska lze nasazovat rychle a bezpečně pomocí mechanického nebo hydraulického lisu (obr. 135).

Obr. 133. Uložení s předepnutím

Obr. 134. Působení sil při montáži

Obr. 135. Montáž ložiska lisem

Další možnosti montáže valivých ložisek: Větší ložiska je třeba nalisovat většími silami. Před montáží na hřídel je proto nutné nahřát ložisko v olejové lázni nebo elektrickým ohřívačem na 80°C až 100°C. Ložisko s kuželovou dírou se bud‘to nasadí na kuželový čep hřídele, nebo se na válcový hřídel upevní pomocí kuželového drážkovaného upínacího pouzdra (obr 136). Velká ložiska s kuželovou dírou je možné při nasazování hydraulicky roztahovat (obr 137). Tlakový olej se přitom vtlačuje mezi lícované plochy a tím roztáhne na větší průměr vnitřní kroužek ložiska. Ložisko pak lze nasunout ručně nebo lisem s prstencovým pístem na čep hřídele.

SPSKS

Obr. 136. Upínací pouzdra ložisek

Obr. 137. Hydraulická montáž a demontáž

Demontáž valivých ložisek K demontáží (stahování nebo vytlačování valivých ložisek z hřídelů a pouzder se používají stahováky nebo speciální zařízení. Při demontáží je třeba dát pozor, aby se síla nepřenášela přes valivá tělesa (obr. 138). Je-li valivé ložisko nasazené na hřídeli na kuželovém stahovacím pouzdře, našroubuje se na závit pouzdra (obr. 136) stahovací matice a jejím dotažením se pouzdro vysune z mezery mezi ložiskem a hřídelem a tím se ložisko uvolní. Velká ložiska, nasazovaná hydraulicky, je možné pomocí hydrauliky také stáhnout (obr. 137).

-157-

Obr. 138. Stahování ložiska

Obr. 139. Mazání olejovou lázní

Obr. 140. Oběhové mazání

Mazání valivých ložisek Mazivo vytváří ve valivém ložisku mezi valivými tělesy a kroužky oddělující vrstvu (film), chrání ložisko před korozí a plastické mazivo chrání ložisko i před prachem. K mazání valivých ložisek se smějí používat jen maziva doporučená výrobcem.

Mazání plastickým mazivem. Kvůli jednoduchosti mazání a dobrému utěsnění se valivá ložiska mažou většinou plastickým mazivem, které vyplňuje polovinu dutého prostoru ložiska. Valivá ložiska s těsnicími příložkami mají od výrobce náplň maziva na celou dobu životnosti. Mazání olejem. Valivá ložiska se mažou olejem z důvodu chlazení při vysokých otáčkách nebo v případě, že jsou olejem mazané okolní části, např. ozubená kola v převodovce. Podle způsobu přívodu oleje rozlišujeme mazání olejovou lázní, oběhové mazání s olejovým čerpadlem, mazáni olejovou mlhou a olejo-vzduchové mazání.

SPSKS

Při mazání olejovou lázní jsou valivá ložiska do oleje ponořená do poloviny výšky spodního valivého tělesa (obr. 139). Při otáčeni klece s valivými tělesy se roznáší olej po celém ložisku. Při oběhovém mazání je olej čerpán olejovým čerpadlem a olejovými kanálky rozváděn k ložiskům (obr. 140). Olej vytékající z ložisek je veden zpětným vedením zpět k olejovému zásobníku čerpadla. K mazání zvláště rychle se otáčejících ložisek se používá mazání olejovou mlhou nebo olejo-vzduchové mazání. Zatímco mazání olejovou mlhou probíhá nepřetržitě, je při olejovzduchovém mazání dopravován mazací olej do ložisek jen v určitých časových intervalech.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké přednosti a jaké nedostatky mají valivá ložiska oproti kluzným? 2. Proč se ohřívá hybridní ložisko při stejném zatížení méně, než srovnatelné ocelové valivé ložisko? 3. Proč musí být kroužek valivého ložiska nesoucí obvodové zatížení uložen (lícován) s přesahem? 4. Co je myšleno provozní vůlí u valivého ložiska? 5. Co je to bodové zatížení (kroužku ložiska)? 6. Na co je třeba dávat pozor při montáži valivého ložiska nalisováním? 7. Na co je třeba dávat pozor při demontáži (stahování) valivého ložiska?

-158-

14.2.1.3 MAGNETICKÁ LOŽISKA V magnetickém ložisku centrují (středí) polohu hřídele magnetické sily. Feromagnetický (většinou ocelový) rotor, otáčející se s hřídelem, se vznáší v magnetických polích dvou elektromagnetů s póly proti sobě tak, že se nedotkne stěn válcové dutiny statoru (obr. 141). Snímače stále hlídají centrální polohu statoru (obr. 141). Signály snímačů vyhodnocuje řídicí jednotka a ta při odchylce od centrální polohy změní buzení (proud) elektromagnetů tak, že elektromagnetické síly vrátí vychýlený rotor do centrální polohy (obr. 142). Magnetická ložiska mohou stabilizovat bezdotykově rotor radiálně nebo axiálně.

Obr. 141. Čtyřpólové radiální magnetické ložisko

Obr. 142. Regulace centrální polohy v magnetickém ložisku

Obr. 143. Axiální magnetické ložisko

SPSKS Radiální ložisko. V případě radiálního magnetického ložiska je rotor složen z kruhových elektroplechů. Stator, který je složený rovněž z elektroplechů, má na pólových nástavcích budicí vinutí (obr. 141). Axiální ložisko. Hřídel je uložený v radiálních, např. kluzných ložiscích a jeho axiální poloha (v podélném směru) je stabilizována elektromagnetickým ložiskem. Rotor axiálního ložiska je tvořen masivním ocelovým kotoučem. Ve statoru jsou prstencové elektromagnety a snímače polohy kotouče rotoru (obr. 143). Pro případ zachování polohy rotoru i při výpadku napájení elektromagnetů magnetických ložisek je rotor uložen v záchytných valivých ložiskách, dimenzovaných na malé zatížení, která udrží rotor při výpadku v centrální poloze a zabráni poškození rotoru a statoru. Vůle v mechanických ložiskách musí být menší než vůle mezi rotorem a statorem v magnetickém radiálním ložisku, aby nedošlo k nežádoucím dotyku mezi rotorem a statorem (obr. 144).

-159-

Obr. 144. Magneticky uložené vřeteno obráběcího stroje s motorem

Obr. 145. Vedení profilovou lištou

Kompletní magnetické uložení rotoru se skládá minimálně ze dvou radiálních ložisek s radiálními snímači a oboustranného axiálního ložiska s axiálními snímači (obr. 144).

Příklady použití: Uložení rychloběžných rotorů odstředivek, čerpadel, kompresorů, turbín a vřeten vysokorychlostních obráběcích strojů (HSC); uložení hřídelů v bezprašném prostředí vakuových komor čistých provozů výroby polovodičů, ve kterých se nesmějí používat žádná maziva. Magneticky uložená vřetena obráběcích strojů jsou většinou na jedné ose s rotorem asynchronního motoru pohánějícího vřeteno (obr. 144).

SPSKS

Opakování a prohloubení znalostí

1. Jak fungují magnetická ložiska? 2. Jakou úlohu mají u magnetického uložení záchytná ložiska?

9. KLUZNÁ A VALIVÁ VEDENÍ Vedení je spojení součástí, které umožňují vzájemný pohyb. Vymezuje přímé pohyby částí strojů, jako např. suportů obráběcích strojů (obr.145). Podle druhu tření mezi pohybujícími se součástmi jsou vedení: - kluzná (válcová nebo hranolovitá); - valivá

Vlastnosti Vedení musí mít tyto vlastnosti: velkou přesnost přímosti dráhy, zajištěnou malou vůlí a velkou tuhostí, možnost nastavení vůle vedení, malé tření a malé opotřebení, pokud možno dobrou schopnost tlumení chvění, jednoduchou údržbu i mazání, ochranu proti nečistotám a třískám. Vedení je možné dělit podle tvaru (profilu) vodicí dráhy, podle směrů zatížitelnosti na otevřená a uzavřená vedení a podle druhu třeni na kluzná vedeni a valivá vedení.

-160-

9.1 TVARY VEDENÍ Podle tvaru profilu vodicí dráhy se vedení mohou dělit na plochá (obdélníková), klínová (tvaru V), prizmatická (lichoběžníková) a válcová (kruhového průřezu). Jednotlivé profily vedení je možné kombinovat (spojovat) a spojovat tak přednosti jednotlivých vedení.

Plochá vedení jsou výrobně jednoduchá. V některých případech potřebuje vedení nastavovací lištu k vymezení vůle a uzavírací lišty zabraňující vypadnutí vedeného profilu z vodicí dráhy (obr. 146). Ploché vedení může kromě hlavní síly mezi vodícími (hlavními) plochami přenášet i příčné síly rovnoběžné s hlavní vodicí (nosnou) plochou a kolmé ke směru vedení (pohybu). Klínová vedení mohou díky šikmému sklonu vodicích ploch zachytit i malé příčné sily. Při opotřebení ploch se tlakem vedení automaticky dostavuje. K zajištění soudržnosti obou dílů vedení jsou potřeba uzavírací lišty. Klínové vedení se často kombinuje s plochým vedením (obr. 147). Prizmatické vedení drží oba díly pohromadě a zabraňuje jejich vzdálení. Pomoci nastavovací lišty může být nastavována vůle a tím může být kompenzováno opotřebení (obr. 148). Prizmatické vedení je nízké, nezabírá mnoho místa, je však výrobně drahé. Válcové vedení je jednoduché a dá se vyrobit velmi přesně (obr. 149), Vedení může být jištěné proti pootočení drážkou nebo spojením s dalším vedením.

SPSKS Obr. 146. Ploché vedení

Obr. 147. Kombinované klínové a ploché vedení

Obr. 148. Prizmatické vedení

Obr. 149. Válcové vedení radiální vrtačky

9.2 OTEVŘENÁ A UZAVŘENÁ VEDENÍ Otevřená vodicí dráha může zachytit síly působící na vedený díl (saně nebo suport) jen ve směrech kolmých k rovině hlavní vodicí plochy (např. svisle nebo šikmo dolů). Kombinovaná otevřená vedení (obr. 147, str. 153) tak mohou zachytit velké síly kolmé na hlavní plochy vedení, ale jen malé příčné síly. Uzavřená vedení zachytí síly ve všech směrech kolmých na směr vedení (obr 145 a 149 na str. 391 a obr. 150).

-161-

Obr. 150. Valivé přímé vedení

Obr. 151. Zpětné vedení valivých těles (kuliček)

9.3 VALIVÁ A KLUZNÁ VEDENÍ Valivá vedení mají stejné výhody a nevýhody jako valivá ložiska. Přenos sil se uskutečňuje pomocí kuliček nebo kladek, které se odvalují např. mezi vodicí lištou a vedeným vozíkem (obr 150). Kvůli velkému měrnému tlaku valivých elementů jsou vodicí lišty (které bývají přišroubované např. k loži obráběcího stroje a k suportu) na namáhaných plochách kalené a broušené. V případech dlouhých vedení se valivé elementy po výběhu ze zatížené dráhy vracejí zpět na začátek (při pohybu určitým směrem) zatížené dráhy (obr. 151). Pro vedení kuliček po válcových plochách jsou kuličky ve vodicích pouzdrech, která udržují kuličky v pravidelných odstupech od sebe. Taková válcová vedení umožňují kromě přímého pohybu také otáčivý pohyb. Neotočná kuličková vedení mají vodicí tyče vedená pouzdra s drážkami pro pohyb kuliček (obr. 152).

SPSKS

Vodicí nosná lišta kladkového vedení může být z hliníkové slitiny s broušenými a kalenými broušenými ocelovými tyčemi, po kterých se odvalují vodicí kladky vozíku, otáčející se na valivých ložiskách (obr. 153). Kromě přímých vedení se používají i obloukové nosné vodicí lišty, např. půlkruhové nebo kruhové dráhy pro montážní nebo transportní (např. závěsná) zařízeni. Kluzná vedení se mažou jako kluzná ložiska. Při malých rychlostech pohybu dochází při hydrodynamickém mazáni vodicích drah často ke smíšenému tření (bez maziva i s mazivem). U obráběcích strojů se proto často používají vedení potažená plastem, která mají malé tření (např. teflon), mají tlumicí schopnosti a nejsou drahá (obr. 154). Kromě toho je klidový koeficient tření těchto povrchů stejný jako dynamický koeficient tření. Vylučuje se tím trhavý pohyb (Stick-Slip-Effect), který může budit chvění s frekvencí vlastních kmitů. Plastové destičky těchto vedení se většinou vlepují do tvarově odpovídajících zahloubení.

-162-

Obr. 152. Neotočné přímé kuličkové vedení

Obr. 153. Valivé kladkové vedení

Obr. 154. Plastové vložky kluzného vedení

Obr. 155. Princip hydrostatického vedení

SPSKS

Valivá a kluzná vedení se používají většinou u obráběcích strojů a manipulačních zařízení k přesnému vedení suportu obráběcí, měřicí nebo manipulační jednotky. U hydrostaticky mazané kluzné vodicí dráhy je tlakový olej čerpán do více míst, např. mazacích dutin (kapes) v kluzném tělese saní. Olej se dostává z dutiny drážkami na celou kluznou plochu, takže suport (saně) plave na vrstvě oleje (obr 155). Tření mezi suportem a vodicí drahou se tak redukuje na odpor, daný dynamickou viskozitou maziva. Klesne-li tlak oleje (při zastavení čerpadla), dosedne suport na vodicí dráhu. Hydraulické čerpadlo se zapíná při zapnutí stroje a regulátor rozděluje olej rovnoměrně do jednotlivých kapes. Tlak v kapsách rychle stoupá do okamžiku, kdy tlak oleje nadzdvihne suport přibližně o 0,025 mm. Suporty se pak mohou pohybovat po vodicích drahách téměř bez tření. Aby mohlo vedení zachycovat různě zatěžující sily, resp. obráběcí sily, aniž by se měnila příčná poloha suportu, tj. mezery s mazivem, musí být přizpůsobovány příčným silám tlaky v jednotlivých kapsách. Zmenší-li se vlivem zatížení tloušťka mezery a tím vrstvy mazacího oleje, klesne odtok z odpovídající kapsy a tím stoupne tlak v kapse. Na zvýšení tlaku reaguje regulátor zvýšením přítoku oleje a udržuje tak konstantní šířky mazacích mezer. Protože se tlakem v jedné kapse vyrovnává vždy šířka mazací mezery na jedné rovinné ploše, musí být vytvořeny kapsy pro jednotlivé plochy, aby mohly být kompenzovány vlivy všech příčných sil (obr. 156).

-163-

Obr. 156. Hydrostatická vedení

U aerostatických kluzných vodicích drah se namísto tlakového oleje používá stlačený vzduch a tření je ještě menší než při hydrostatickém mazání. Při hydrostatickém i aerostatickém kluzném vedení nedochází k trhavému pohybu vlivem tření.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké vlastnosti by mela mít vedení? 2. Jaká vedení se rozlišuji podle tvaru (profilu) vodicí dráhy?

9. Jak fungují valivá vedení pro neohraničené, resp. velmi dlouhé vodicí dráhy? 10. Proč je odpor aerostatického vedení na vzduchovém polštáři menší než na olejové vrstvě?

3.Jaké pohyby umožňuje válcové vedení? 4. Jakou konstrukci mají uzavřená vedení?

SPSKS

5. Jaké nedostatky mají otevřená vedení?

6. Proč dochází u hydrodynamicky mazaného vedení často ke smíšenému tření? 7. Proč je u kluzných vedeni nežádoucí trhavý pohyb? 8. U kterých vedení nedochází k trhavému pohybu vlivem tření?

11. Které olejové kapsy na obr. 156 funguji při regulaci výšky suportu zatěžovaného proměnlivou svislou silou F? 12. Jak je zajištěno, že zůstane suport na obr. 156 ve stejné výšce i po změnách síly F? 13. Které olejové kapsy na obr. 156 slouží k regulaci polohy při kompenzaci příčných sil působících na suport při obrábění? 14. Jak fungují aerostatická kluzná vedení?

TĚSNĚNÍ 10.1 FUNKCE TĚSNĚNÍ Těsnění znemožňují nebo minimalizují průnik prachu, kapalin nebo plynů mezerami mezi vzájemně přiléhajícími díly (obr. 157).

-164-

Obr. 157. Utěsnění pístní tyče hydraulického válce

Obr. 158. Druhy těsnění

10.2 DRUHY TĚSNĚNÍ Těsnění tvoří buď labyrint (tvarové drážky) nebo těsnicí díl, např. pryžová podložka. Rozlišuje se statické těsnění, zabraňující průniku látek mezi vzájemně nepohyblivými díly a dynamické těsnění, které zabraňuje průniku látek mezi vzájemně se pohybujícími díly (obr. 158).

11.2.1 STATICKÁ TĚSNĚNÍ Statické těsnění je konstrukční opatření, spočívající v těsnosti rozebíratelného spojení pevných dílů, lícujících s dostatečnou přesností, nebo v utěsnění těsnicím materiálem (tmelem), nebo těsnicím dílem (těsněním). Těsnění pro utěsnění mezery mezi pevnými díly se při montáži plasticky tvaruje.

SPSKS

Plochá těsnění. Plochá těsnění mají velké dosedací plochy (obr. 159). Pro velké tlaky se vyrábějí plochá těsnění s kovovým povrchem nebo kovovou obrubou. Tekuté těsnicí materiály. Vyplňují prohlubně na těsněných plochách a po vytvrzení utěsní prostor mezi díly podobně jako lepidlo (obr. 160).

Obr. 159. Ploché těsnění

Obr. 160. Těsnění zalévacím tmelem

Obr. 161. Těsnění pístu

Profilová těsněni. K často používaným profilovým těsněním patří kroužky (prstence tvaru anuloidu) kruhového průřezu (O—kroužky), používané např. k těsnění raménka vodovodní baterie. Ve spojení s těsnicími kroužky se používají elastické (jako pryž) O—kroužky jako napružovací prvek přitlačující těsnění pístů a pístních tyčí v hydraulických válcích (obr. 161). Těsnění vzájemně pohyblivých dílů Tato těsnění zabraňují průniku materiálu (např. paliva nebo oleje) mezi dvěma vzájemně se pohybujícími díly. Těsnění není nikdy dokonalé a propouští vždy malé množství látky, např. oleje. Rozlišují se kluzná těsnění a bezdotyková těsnění.

Kluzná těsnění. Kluzná těsnění jsou v těsném kontaktu s pohybujícím se dílem. Aby bylo třeni co nejmenší, musí být kluzné povrchy tvrdé, přesné a hladké. Znečištění nebo

-165-

nedostatečné mazáni kluzných ploch vede ke zvýšenému opotřebení těsnění i kluzné plochy dílu. Kluzná těsnění často slouží (ve stavu klidu) jako statická těsněni.

Stříškové manžety slouží např. k utěsnění pístní tyče v hydraulickém lisu. Před posledním vnějším kluzným těsněním, tvořeným lícujícím volným drážkovaným kroužkem, je předřazené pro snížení tlaku prosakujícího oleje pružné těsnění z několika stříškových manžet (obr. 162). Stěrací kroužek v drážkovaném kroužku zajišťuje těsnost při malém tření. Opěrný kroužek zajišťuje tlakem na stříškové manžety jejich napružení.

Obr. 162. Ucpávka se stříškovými manžetami

Obr. 163. Těsnící a stěrací kroužek

Těsnicí kroužky (drážkové prstence) se používají většinou k těsnění pístních tyčí v hydraulických válcích. Přítlak prstence (na pístní tyč), potřebný ke stírání hydraulického oleje (ulpívajícího na tyči) proti silám závislým na dynamické viskozitě a rychlosti pohybu olejové vrstvy, je daný vlastním předpružením a stlačením těsnicích manžet při zamáčknutí prstence do vnitřní drážky válcové díry. Těsnicí kroužek těsní dynamicky vzhledem k pístní tyči a staticky vzhledem k válci (obr. 163).

SPSKS

Stírací kroužek stírá z pístní tyče hydraulického válce nečistoty a třísky, aby nemohly vniknout mezi třecí plochy (obr. 1). Hřídelové těsnicí kroužky jsou manžety se zvláštním profilem (obr. 164). Používají se k utěsnění hřídelů při malém tlaku kapaliny ve válcích. Těsnicí hrana (chlopeň) manžety zabraňuje unikání oleje. Hřídelový těsnicí kroužek může (v případě potřeby) mít i ochrannou manžetu (chlopeň) zabraňující vnikání nečistot zvenku.

Obr. 164. Hřídelový těsnící kroužek

Obr. 165. Těsnění třecími prstenci

Třecí prstencová těsnění se používají k utěsnění hřídelů při středních až vyšších tlacích kapaliny (obr. 165). Skládají se ze dvou kroužků, přiléhajících k sobě broušenými rovinnými plochami s malým třením. Kroužky jsou vyrobeny z plastu, keramiky, tvrdokovu (slinutého karbidu) nebo grafitu. Jeden třecí kroužek se otáčí s hřídelem a protikroužek je pevně spojen s válcem. Kroužky jsou k sobě přitlačovány pružinami. Bezdotyková těsnění. Principem bezdotykového těsnění je dlouhá a úzká mezera (spára) mezi dny, kladoucí úniku kapaliny (např. oleje) velký odpor. Délka mezery se zvětšuje labyrintem. U skříní nedělených podélnou rovinou jsou labyrinty orientované v podélném (axiálním) směru (obr. 166), u podélně dělených skříni jsou labyrinty orientované radiálně (obr. 167). Těsnění dlouhou mezerou (např. labyrintem) se používá většinou u ložisek -166-

mazaných tukem. Těsnění je mnohem účinnější, je-li mezera vyplněna mazacím tukem (obr. 167).

Obr. 166. Labyrintové těsnění ložiska

Obr. 167. Radiální těsnící labyrint ložiska

Statické těsnění těsní vzájemně nepohyblivé díly, dynamické těsnění těsní vzájemně pohyblivé díly.

Těsnicí materiály Podle požadavků musí být těsnicí materiály plasticky nebo elasticky tvarovatelné, chemicky odolné, odolné proti teplotním vlivům, stárnutí a otěru a musí mít případně malý koeficient tření. Podle požadavků se k těsnění používají různé materiály, např. grafit, plasty (např. teflon), kovy (např. měkká ocel), měď, olovo (dříve) a těsnicí tmely z trvale elastických plastů, např. lukopren (silikonový tmel).

Opakování a prohloubení znalostí 1 Jaké druhy těsnění rozlišujeme?

3. K čemu se používají hřídelové těsnicí kroužky?

SPSKS

2. Jaké druhy statického těsnění se používají?

4. Jaký je princip těsnění labyrintem?

SPOJKY Spojky slouží k přenosu energie mezi hřídeli a mají různé funkce: ochrana před přetížením pohonu, např. při kolizi nástroje na NC—stroji, tlumení nárazů, např. u dopravníků, vyrovnávání nesouososti hřídelů, např. kloubovými spojkami (obr. 168), spojení hřídele motoru s hřídelem převodovky (obr. 168), přerušování přenosu točivého momentu spojkou motorového vozidla, řazení převodových stupňů u obráběcího stroje. Druh použité spojky závisí především na požadované funkci. Konstrukční rozměry spojky závisí především na velikosti přenášeného momentu, Spojky je možné dělit na pevné (nerozpojovatelné), pohyblivé (rozpojovatelné) a speciální (obr. 169). Pevné spojky dělíme na tuhé a pružné.

-167-

11.1 PEVNÉ SPOJKY V případě pevné spojky mezi hnacím a hnaným hřídelem není možné odpojit za provozu hnaný hřídel od hnacího hřídele.

11.1.1 TUHÉ SPOJKY Tuhé spojky se používají pro přenos pohybu a točivého momentu mezi souosými hřídeli, které musí být pevně spojeny i v axiálním směru. Nemohou vyrovnávat nesouosost hřídelů. Tuhé spojky jsou levné spojky malých rozměrů pro jednoduché pohony. Používají se také pro přenos velkých točivých momentů a velkých otáček. V nejjednodušším případě jsou tvořeny sešroubovanými přírubami, spojenými pevně s konci hřídelů. Přírubové spojky neumožňují přesné vystředění.

Pevné kotoučové spojky umožňují středění přírub hřídelů pomocí středicích vložek nebo prstenců (obr. 170). Miskové spojky s kuželovým pouzdrem se používají pro spojováni souosých hřídelů stejných průměrů (obr. 171). Pomocí drážkovaných kuželových svěrných ploch je možné ve spojce sevřít a tím fixovat oba spojované konce hřídelů. Tyto spojky se však nehodí pro proměnné a nárazové zatížení(kvůli možnému prokluzu).

SPSKS Obr. 168. Použití různých typů spojek

Obr. 169. Druhy spojek

Obr. 170. Pevná kotoučová středící spojka

Obr. 171. Misková spojka s kuželovým pouzdrem

11.1.2 TORZNĚ TUHÉ SPOJKY Tyto spojky přenášejí bez pružení a prokluzů otáčivý pohyb a současně mohou vyrovnávat přesazení hřídelů (menšího rozsahu).

-168-

Zubové spojky se zakřivenými zuby mohou při malých rozměrech přenášet velké točivé momenty i velké rychlosti otáčení (obr. 172). Na koncích obou hřídelů jsou upevněny náboje se soudkovitě zakřiveným ozubením. Zakřivené zuby nábojů zapadají do ozubení pouzdra a umožňují tvarovým spojením přenos točivého momentu. Tyto spojky mohou vyrovnávat malé přesazeni i malou úhlovou odchylku os hřídelů. Kloubové spojky mohou vyrovnat větší úhlovou odchylku a ve dvojici (na koncích šikmého spojovacího hřídele) větší osové přesazení než zubové spojky. V kloubových spojkách mohou přenášet síly čepy křížového kloubu nebo kuličky kuličkového kloubu. Kuličkový kloub je spojka umožňující při přenosu otáčivého pohybu i axiální posuv mezi hřídeli (obr. 173). Síly přenášejí kuličky fixované klecí a pohybující se v podélných drážkách hnacího i hnaného prstence. Kuličkový kloub dovoluje odklon směrů hřídelů až 20° a axiální posun až 30 mm. Stejnoběžné klouby se používají převážně při pohonu kol motorových vozidel. Stejnoběžné klouby (homokinetické mechanizmy přenášející pohyb bez změny do jiného místa) přenášejí pohyb hnacího hřídele na hnaný hřídel i při větší změně úhlu mezi hnacím a hnaným hřídelem, aniž by docházelo ke změně úhlové rychlosti během jedné otáčky.

SPSKS Obr. 172. Zubová spojka se zakřivenými zuby

Obr. 173. Kuličkový kloub

Kloubové hřídele (Kardanovy hřídele) mají na koncích dva křížové klouby a mezi nimi posuvný díl pro vyrovnávání délky (obr. 174). V obráběcích strojích se požívají kloubové hřídele k pohonu vřeten vícevřetenových vrtaček a k pohonu posuvů menších frézek.

Obr. 174. Křížový kloub na kloubovém hřídeli

Obr. 175. Pružné spojky

-169-

11.1.3 PRUŽNÉ SPOJKY Pružné spojky mohou vyrovnávat radiální a axiální přesazení spojovaných hřídelů jako torzně tuhé spojky, jsou však torzně měkké (pružné). Díky poddajnosti v příčných směrech jsou tlumeny nárazy a kmitání a rozběh je měkčí. Pružné spojky se používají často k pohonu pracovních strojů s kolísajícím odporem, např. pístových čerpadel a pístových kompresorů. Jako pružící prvky se používají pryžové díly, šroubovité a listové pružiny a pryžové měchy (obr. 175). Kovové pružinové spojky jsou vhodné také pro vyšší provozní teploty. K pohybu bez vůlí musí být pružiny předepjaty i ve výchozí poloze. Vlnovcové spojky přenášejí krouticí moment zvlněným kovovým měchem (vlnovcem) a používají se v různých oblastech strojírenství, např. při pohonu kuličkových šroubů CNC obráběcích strojů. Vlnovcová spojka má tlumicí schopnost a zaručuje klidný a rovnoměrný přenos krouticího momentu z krokových servomotorů i při nízkých otáčkách (obr. 176). Vlnovcové spojky přenášejí krouticí (točivé) momenty od 0,1 Nm až 4 kNm při otáčkách až do 13 000 min-1. Hluboce zvlněný tvar měchu zaručuje při velké torzní tuhosti (kovový materiál) axiální a osovou pružnost (obr. 177 a obr. 178). Umožňuje vyrovnávat současné axiální odchylky polohy a polohové i úhlové odchylky os spojovaných hřídelů. Měch bývá vyroben z legované ušlechtilé oceli. Měch mívá na koncích navařené upevňovací příruby, které se připojují k hřídelům svěrným způsobem, a to pomocí konických (kuželových) svěrných pouzder (obr. 178), svěrných nábojů, vzpěrných kuželů (obr. 178), nebo pomocí konických svěrných nábojů.

SPSKS Obr. 176. Vlnovková spojka pohonu suportu

Obr. 177. Celokovová vlnovková spojka

Obr. 178. Vlnovková spojka se svěrací objímkou

Obr. 179. Zubová spojka

Přednosti vlnovkových spojek: přesný přenos točivého pohybu (bez vůle) a momentu, poměrně malý moment setrvačnosti, velká pevnost proti prokluzu,

-170-

použití při teplotách do 250 °C, jednoduchá a rychlá montáž, bezpečný přenos točivého momentu i při vysokých otáčkách, vyrovnávání proměnlivosti (kmitáni) axiální vzdálenosti a úhlové odchylky hřídelů, bezúdržbový provoz.

11.2 POHYBLIVÉ SPOJKY Pohyblivé (rozpojovací) spojky se používají v případech, kdy provoz zařízení, nebo např. motorového vozidla, vyžaduje vypínání (přerušování) pohonu bez zastavování motoru. Podle způsobu přenosu momentu rozlišujeme tvarové spojky, třecí spojky a spojky s kombinovaným přenosem sil pomocí tlaku (tvarovaných částí) a tření (svíraných částí). Ovládání (rozpojováni nebo spojováni) spojky bývá mechanické, hydraulické, pneumatické nebo elektromagnetické. V sepnutém stavu drží spojku většinou předepnuté pružiny, někdy též elektromagnet, např. zásuvný elektromagnet startéru (spouštěče). Pod pohyblivými spojkami máme zpravidla na mysli výsuvné spojky s axiálním pohybem spojovacích dílů.

12.2.1 VÝSUVNÉ TVAROVÉ SPOJKY Přenos krouticího momentu se uskutečňuje tlakem mezi plochami do sebe zapadajících částí (zubů, čepů a stěn otvorů, nebo zubů a stěn vybrání) spojkových dílů hnacího a hnaného hřídele (obr. 179). Ve spojeném stavu nevyžaduje většinou výsuvná zubová spojka vnější sílu udržující ji v záběru. Spojení pohyblivé (např. zásuvné) části spojky s hřídelem zajišťuje těsné pero nebo drážkový hřídel. Zubové spojky se používají v převodovkách.

SPSKS

Tvarové výsuvné spojky lze zapínat jen za klidu nebo při velmi malém rozdílu otáček hřídelů.

12.2.2 TŘECÍ VÝSUVNÉ SPOJKY Přenos kroutícího momentu se uskutečňuje třením svíraných částí. Třecí plochy musí být při zapnuté spojce tlačeny k sobě svěrnou silou. Spojka může být např. vypínaná při určité mezní zátěži nebo při mezních otáčkách a při obnovení standardních podmínek se opět zapne. Je to princip spolupráce s automatickou převodovkou. Při každém zapnutí i vypnutí spojky dojde k prokluzu a uvolnění tepla, proto se musí třecí (svěrné) spojky chladit. Podle počtu a tvaru třecích ploch se rozlišují jednokotoučové, vícekotoučové a kuželové spojky, a to suché nebo v olejové lázni.

Jednokotoučové (jednolamelové) spojky. Přítlačný kotouč tlačí silou (obvodových) šroubovitých pružin, nebo talířové pružiny třecí spojkový hnaný kotouč s obložením (lamelu) na plochu hnacího kotouče, kterým může být např. setrvačník motoru (obr. 180). Spojkový kotouč má po obou stranách třecí obložení. Je-li hnaný kotouč sevřen mezi kotouče hnací strany spojky, přenáší se přes něj krouticí moment na hnaný hřídel spojky, který bývá spojen přímo se vstupním hřídelem převodovky. Spojka se vypíná pomocí vypínací (vysouvací) vidlice, která zvedne vypínací ústrojí. Tím odlehči přítlak pružin na přítlačný kotouč a uvolní sevření hnaného kotouče. Jednolamelová suchá spojka s talířovou pružinou se používá převážně u osobních automobilů. Jednolamelová spojka s obvodovými pružinami v olejové náplni se používá u motocyklů. Lamelové spojky. Několik spojkových kotoučů (lamel) je uspořádáno za sebou střídavě jako hnací kotouče s vnějším ozubením (hnané vnějším bubnem s vnitřními drážkami) -171-

provedené jako třecí lamely a hnané kotouče s vnitřním ozubením (ocelové lamely) pohánějící vnitřní buben (náboj) s vnějšími drážkami. Pracují většinou v olejové lázni (tzv. mokrá spojka). V sepnutém stavu spojky jsou axiálně posuvné lamely stlačeny k sobě mechanicky, hydraulicky nebo elektromagneticky (obr. 181). Vícelamelová spojka má menší průměr a je dražší. Používá se u sportovních vozů.

Obr. 180. Jednokotoučová třecí spojka

Obr. 181. 1Lamelové spojky Obrázek

Třecí spojky je možné vypínat a zapínat v klidu i za provozu (při otáčení). Ovládání spojky může být mechanické, hydraulické, pneumatické nebo elektromagnetické.

SPSKS

12.2.3 SPECIÁLNÍ SPOJKY

Bezpečnostní spojky přerušuji spojení mezi dvěma hřídeli při překročení mezního krouticího momentu, tj. odporu hnaného hřídele, např. při přetížení jeřábu. Bezpečnostní momentové spojky mohou být střižné nebo prokluzové. Bezpečnostní střižné spojky. Jsou to nejjednodušší bezpečnostní spojky tvořené střižnými šrouby, nýty nebo čepy vloženými mezi příruby spojovaných hřídelů (obr. 182). Jsou dimenzovány tak, aby při překročení určité hodnoty krouticího momentu došlo k jejich přestřižení.

Obr. 182: Bezpečnostní střižná spojka

Obr. 183. Momentové třecí spojka (prokluzová)

Momentové třecí spojky jsou konstruované jako jednokotoučové nebo vícelamelové a přenášejí moment třením mezi třecími kotouči (z kevlarových a měděných vláken) a ocelovými kotouči (obr. 183). Mezní přenositelný resp. prokluzový moment se nastavuje předpětím (přítlačnou silou) přítlačných pružin. Při překročení mezního momentu spojka prokluzuje. Momentové kuličkové spojky jsou konstruované jako zaskakovací s kuličkovým věncem a talířovou pružinou, jejíž předpružení se nastavuje maticí se stupnicí s měřítkem pro mezní

-172-

moment spojky (obr. 184). Při překročení mezního momentu jsou kuličky vytlačeny z důlků jednoho spojkového kotouče a druhý spojkový díl s kuličkovým věncem přestane být unášen a proklouzne. Vytlačení kuliček při přechodu mezi sousedními důlky šikmými stěnami důlku způsobí jejich zdvih proti síle talířové pružiny. Tento zdvih je snímán mechanicky nebo bezkontaktně a na základě tohoto signálu může být během 2 až 3 ms odpojen pohon (např. elektromotor). Při poklesu momentu zapadne spojka do nejbližší polohy s kuličkami v důlcích. Spojka je proto plně funkční hned po skončení stavu přenášení.

Obr. 184. Momentová kuličková spojka

Obr. 185. Volnoběžná spojka s kuličkami

Bezpečnostní elektronické spojky. Používají se k zastavení posuvu při chybě vystavení, zjištěné při průběžném porovnávání požadované a skutečné polohy suportu v řídicí jednotce CNC stroje. K takové chybě může dojit např. při přetížení (velkým obráběcím odporem) nebo při kolizi (např. nástroje s obrobkem při rychloposuvu). V těchto případech dojde k nouzovému vypnutí stroje, tj. k uvedení stroje (pohonů) do klidu.

SPSKS

Rozběhové spojky. Rozběhové spojky bývají vestavěné většinou mezi pohonem (motorem) a pracovním strojem. Umožňují rozběh motoru (např. spalovacího) bez zatížení. Spojka automaticky sepne při dosažení nastavených otáček (např. odstředivá spojka u mopedu) a připojí k motoru převodovku nebo pracovní stroj. Volnoběžné spojky (volnoběžky). Volnoběžné spojky pro volný chod (např. u jízdných kol) nebo proti přetočení (u startéru) přenášejí točivý moment jen v jednom směru otáčení pomocí západek, svěrných pouzder, válečků nebo kuliček, pohybujících se mezi hnací a hnanou částí spojky (obr. 185). Otáčí-li se hnací hřídel (nebo náboj) rychleji než hnaný hřídel (ve směru otáčení pohonu), spojí se tvarově nebo třením s hnaným hřídelem. Např. u volnoběžky na obr. 186 se kuličky přesunou třením v klínovitě se zužujících dutinách tak, že se pevně zaklíní mezi hnaným nábojem a tvarovaným hnacím hřídelem a zapnou spojku. Otáčí-li se naopak hnaný náboj rychleji než hnací hřídel (např. po rozběhnutí spouštěného motoru), přesunou se kuličky do širších mezer a spojka se vypne (volnoběžka spouštěče má válečky bez klece). Opakováni a prohloubení znalostí 1. Jaké funkce mají spojky?

4. Jaké přednosti má vlnovcová spojka?

2. Jak funguje jednokotoučová spojka?

5. Jak je možné ovládat lamelové spojky?

3. Kde se používají pružné spojky?

6. Jaká je funkce momentových spojek?

-173-

12. HŘÍDELOVÉ BRZDY Hřídelové brzdy mají u rotujících hřídelů a s nimi spojených strojních částí otáčky omezit, snížit nebo rotaci zcela zastavit, popř. udržet je v klidu, nebo také zatěžovat hnací stroje brzdicím momentem Mb. Podle těchto funkcí jsou brzdy spouštěcí, stavicí a zatěžovací. Poslední druh brzd se používá převážně ve zkušebnách při dlouhodobých výkonových zkouškách motorů. Zpravidla jsou to brzdy hydrodynamické nebo elektrické. Ve strojírenství se používají převážně brzdy mechanické, brzdící třením. Stejně jako hřídelové spojky mohou mít ovládání mechanické, hydraulické, vzduchové a elektromagnetické.

12.1 MECHANICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY Podle směru, v němž se pohybují brzdicí části, lze rozdělit brzdy na radiální a axiální. Do radiálních se zahrnují brzdy čelisťové, špalíkové a pásové, do axiálních brzdy kuželové kotoučové a lamelové. Všechny mechanické brzdy jsou třecí. Obvykle se zapínají pružinami a odbrzďují některou z uvedených druhů energií. Takový způsob uspořádání je nutný u brzd stavicích. Musí fungovat i při výpadku energie, kdy by mohlo dojít např. k pádu břemena. Je možná i opačná funkce, kdy se brzdy zapínají např. elektromagneticky a vypínají pružinami. Toho se používá tam, kde je třeba brzdit programově nebo razantně (např. u obráběcích strojů nebo tkalcovských stavů). Brzděním se kinetická energie přeměňuje v teplo. Proto je, zejména u spouštěcích brzd, nutná kontrola oteplení.

SPSKS

13.4.1 ČELISŤOVÉ BRZDY

Užívají se jen brzdy dvoučelisťové, poněvadž jednočelisťové namáhají brzděný hřídel na ohyb. Mohou být s vnějšími čelistmi, zejména u zdvihadel (jeřábů a výtahů) a zemních strojů, nebo s vnitřními čelistmi u vozidel (bubnové brzdy). Dvoučelisťové brzdy vnější mohou mít čelisti pevné. Jako brzdové obložení se používá obložení RUBOS. Odlehnutí čelistí při odbrzdění má být (1,5 až 3) mm, podle velikosti brzdového kotouče. Pákový převod se volí nevelký, aby stačil zdvih odbrzďovače. Brzdy se zapínají závažím nebo pružinami. Pro odbrzďování se u závaží používal elektromagnet, který závaží zvedal. Funkce takové brzdy byla tvrdá a hlučná. Proto se převážně používají elektrohydraulické odbrzďovače, jejichž velikost se volí podle katalogu a Mb. Mohou být přímo vybaveny vestavěnou brzdnou pružinou (obr. 186). Toto zařízení brzdí měkce a bezhlučně. Tyto brzdy se stavějí pro Mb = (285 až 2 550) N.m, Db = (250 až 500) mm.

-174-

Obr. 186. Dvoučelisťová brzda vnější s elektrohydraulickým odbrzďovačem

Obr. 187. Dvoučelisťová brzda vnítřní (DUPLEX)

Dvoučelisťové brzdy vnitřní se používají u vozidel, převážně na zadních kolech. Čelisti jsou uvnitř brzdového bubnu chráněny před stříkající nečistotou. Ovládány jsou mechanicky — pákou a bovdenem, nebo hydraulicky — pedálem a brzdovým válečkem. Ovládací elementy rozevírají u symetrické brzdy obě čelisti současně, u brzdy Duplex jsou čelisti uspořádány ve stejném smyslu a ovládací elementy jsou dva. Čelisti jsou přitlačovány k vnitřní válcové ploše brzdového bubnu. Zpět jsou při odbrzdění odtahovány pružinami (obr. 187). Brzdové čelisti doléhají ve středovém úhlu až 130°. Na třecí ploše je nalepeno obložení. Brzdový buben může být žebrován pro lepší odvod tepla. Nejčastěji používané symetrické uspořádání brzdí stejně při obou směrech otáčení bubnu.

SPSKS

13.4.2 ŠPALÍKOVÉ BRZDY Jsou převážně kolové. Špalíky vozů bývají z topolového dřeva, u železničních vagónů a lokomotiv z litiny. U železničních vagonů je uspořádání podobné dvoučelisťové brzdě. Brzdy jsou ovládány vzduchovým brzdovým válcem, od něhož se brzdná síla přenáší na špalíky soustavou táhel a pák (obr. 188).

13.4.3 PÁSOVÉ BRZDY Jsou o mnoho účinnější než brzdy čelisťové. Jejich nevýhodou je, že se hodí většinou jen pro jeden smysl otáčení a že namáhají brzděný hřídel na ohyb. Vhodné jsou jako brzdy spouštěcí. Jednoduchá pásová brzda je na obr. 189. K vyvození brzdné obvodové síly, při otáčení kotouče ve směru šipky, musí působit síla F:

-175-

Obr. 188. Princip špalíkové brzdy železničních vozů

Obr. 189. Schéma jednoduché pásové brzdy

Mb = GR1 = (Fs1 — Fs2) R2 = Fs2(eαµ — 1) R2, F=

M b .l1 . e − 1 .l 2 .R 2

(

αµ

)

Pro opačný smysl otáčení bude třeba na páce působit silou F´= eαµ. F. Proto se nehodí pro oba smysly brzdění.

Diferenciální brzda pásová se hodí jen pro jeden smysl otáčení. Brzdí náhle a může být i samosvorná. Lze ji použít jen u ručního pohonu, má-li brzdit velký moment malou silou.

SPSKS

U pásových brzd není tlak mezi pásem a brzdovým kotoučem rozdělen rovnoměrně, nýbrž je úměrný tahům v pásu. Střední tlak se proto počítá jako rovnoměrný tlak, konající třecí práci, odpovídající ubrzděnému výkonu. Dovolený tlak je stejný jako u brzd čelisťových. Maximální tlak může být dvojnásobný. Hodnoty platí opět pro brzdy stavicí, pro spouštěcí brzdy se berou hodnoty poloviční.

Ocelové pásy brzd se pro zvětšení tření obkládají organickým třecím obložením, které se připevňuje zapuštěnými měděnými nebo hliníkovými nýty. Úhel opásání bývá 200° až 250°. Šířka brzdového pásu bývá (40 až 140) mm, tloušťka ocelového plechu (2 až 4) mm a jeho σD = (50 až 60) MPa vzhledem k rázům. Konce pásu jsou zanýtovány do třmenů, jeden má seřiditelnou délku. Kolem pásu brzdy se upravuje na rámu stroje obojek, jehož stavěcí šrouby po obvodě vymezují rovnoměrné odlehnutí pásu od brzdového kotouče po odbrzdění a jehož ochranné boční pásy zamezují sesmeknutí brzdového pásu. 13.4.4 KUŽELOVÉ BRZDY Kuželové spouštěcí brzdy se používají u ručních kladkostrojů. Ty mají převod nesamosvorným šnekem, pro větší účinnost,. Potřebná síla pro zdvíhání je tak menší. Poklesu břemene brání rohatka se západkou a kuželová třecí brzda, vytvořená na hřídeli šneku a rohatce. Brzdu tlačí do záběru osová síla šneku. Brzda je automatická, protože brzdná síla se zvětšuje úměrně velikosti břemena. Geometrie kuželové brzdy a šneku je taková, že jako celek je kladkostroj samosvorný a pří spouštění je třeba působit malou silou k překonaní časti Mb .

-176-

13.4.5 KOTOUČOVÉ BRZDY Brzdí třecím kotoučem, jednou nebo oběma čelními plochami. Jsou podobné kotoučovým spojkám s jakýmkoli ovládáním. Protože brzdicí část je spojena s ramenem stroje a nepáčí se, lze proti spojce velmi zjednodušit přívod ovládací energie (elektřiny, tlakového oleje apod.). Proto se hřídelové brzdy dodávají jako samostatná část strojů a nepoužívají se pro brzděni hřídelových spojek. Počet konstrukčních variant je značný. Kombinace spojky řazené elektromagneticky s brzdou zapínanou pružinami je na obr. 190. Brzda, kterou tvoří kotva spojky, se vypíná zapnutím spojky.

SPSKS Obr. 190. Kombinace elektromagneticky řazené kotoučové spojky s kotoučovou brzdou zapínanou pružinami

Obr. 191. Kotoučová brzda

Obr. 192. Lamelová brzda

Jiným druhem jsou kotoučové brzdy vozidel a letadel. Nejde o brzdy hřídelové, poněvadž brzdí jen kola, volně otočná na ose. Zkušenosti z dopravních zařízení byly však již převzaty i do strojírenství. Tyto brzdy se uplatňují při brzdění hřídelů obráběcích strojů. Jejich výhodou je velmi rychlá reakce a možnost řízení pootočení hřídele jen o část otáčky. Konstrukce brzdy je obecně známa z automobilů a motocyklů (obr. 191). Brzdové destičky jsou opatřeny organickým třecím obložením nebo KTM, který má vysokou tepelnou odolnost. U obráběcích strojů jsou brzdové pístky ovládány i elektromagneticky. U hydraulicky ovládaných brzd v dopravě jsou písty odtahovány při odbrzdění jen pružností jejich těsnicích kroužků o několik desetin milimetru. Proto je prodleva brzdy při brzdění minimální (obr. 191). Kotouč brzdy zabírá na svém vnějším obvodu do věnce ráfku hlavního kola.

-177-

13.4.6 LAMELOVÉ BRZDY Jsou obdobou lamelových spojek. Vše, co bylo uvedeno o lamelových spojkách, platí i pro lamelové brzdy. Liší se od spojek jen jednodušším přívodem energie do neotáčející se části. Mohou být rovněž zapínány ovládacím mediem a vypínány pružinami, nebo naopak. Příklad lamelové brzdy zapínané elektromagneticky je na obr. 192. Pro srovnání rozměrů a Mb je na obr. 194 náčrtek nejvýkonnější brzdy ovládané hydraulicky pro hlavní kola proudového letadla.

SPSKS

Obr. 194. Lamelová brzda kola proudového letadla

Obr. 195. Schéma hydraulické brzdy

13.4.7 HYDRODYNAMICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY

Brzda se používá zejména pro dlouhodobé zatěžování motorů na zkušebnách. Je proto účelné. aby ztráty v brzdě byly co největší. Stator i rotor brzdy se opatřují např. kolíky, které proudění v brzdě co nejvíce znesnadní (obr. 195). Všechna energie zmařená v brzdě se přeměňuje na teplo. Brzda se proto vydatně chladí tím, že kapalina v ní neustale cirkuluje mezi chladičem a brzdou. Brzdicí moment se reguluje množstvím vody v brzdě. Brzda pracuje bez opotřebení a seřizování a její Mb je plynule nastavitelný.

13.4.8 ELEKTRICKÉ BRZDY Brzdicího účinku se u nich dosahuje působením vybuzeného elektromagnetického pole. K elektrickému brzdění se používá elektromotoru (zejména u elektricky poháněných dopravních prostředků, zdvihadel apod.), nebo indukčních brzd (ve strojírenství), konstrukčně odvozených od indukčních spojek, přizpůsobením jedné části pro připojení na rám stroje. Touto částí by mělo být magnetové kolo, aby bylo možno přivést budicí napětí na svorky a odpadly sběrací kroužky s kartáči. Kotva je pak rotující částí brzdy. Brzdy mohou byt jako spojky asynchronní, vířivé a synchronní. Asynchronní a vířivé brzdy slouží k regulaci vzhledem k jejich charakteristikám, synchronní brzdy především jako stavicí.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké funkce mají brzdy?

2. Jak funguje dvoučelisťová brzda?

-178-

3. Kde se používají špalíkové brzdy?

5. Jak je možné ovládat lamelové brzdy?

4. Jaké přednosti má dvoučelisťová brzda?

6. Jaká je funkce hydrodynamické brzdy?

13. VEDENÍ TEKUTIN Jednotlivé prvky hydraulické či pneumatické jsou spojeny vedením podle daného schématu. Pokud se při práci mechanizmu nemění poloha prvků, tvoří vedení kovové trubky. Pokud se prvky vzájemně pohybují, používají se hadice, kloubové nebo výsuvné spoje. Volba a dimenzování vedení je závislá na:

− − − − −

druhu tekutiny (např. voda, vzduch, minerální olej, plyn), místě použití, pracovním tlaku, délce vedení dovolených tlakových ztrátách, velikosti průtoku.

Pro vodu, vzduch, minerální oleje, plyn a nepohyblivé spoje se nejčastěji volí kovové potrubí, nebo plastové až do nejvyšších pracovních tlaků a největších průtoků. Pro pohyblivé spoje se používají jak v hydraulických, tak v pneumatických soustavách hadice.

13.1 VOLBA PRŮTOKOVÉ RYCHLOSTI Pro návrh rozměrů vedení, tj. pro stanovení jeho vnitřního průměru d se vychází ze základního vztahu:

SPSKS v Q = πd 2 . , 4 odtud d = 1,13

Q , v

kde průtok Q se dosazuje v m3.s-1 a v je průtoková rychlost v m.s-1. Rychlosti jsou stanoveny tak, aby tlaková ztráta při proudění nepřesáhla (5 až 10)% pracovního tlaku tekutiny.Vypočtená hodnota průměru vedení se zpravidla koriguje s ohledem na připojovací rozměry prvků, které odpovídají normalizované řadě světlosti DN = 4, 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 63, 100. U vedení stlačeného vzduchu se za průtok Q dosazuje tzv. jmenovitá výkonnost kompresoru a rychlost se zpravidla volí podle délky vedení.

13.2 POTRUBÍ Slouží k dopravě kapalin, plynů, sypkých hmot i kusového materiálu. K dopravě je nutný rozdíl tlaků. Doprava je plynulá s nízkými provozními náklady, dopravovaná látka je chráněná před vnějším prostředím, snadná je regulace množství dopravované látky, možnost mísení dvou dopravovaných látek a snadné a rychlé odstavení. Potrubní doprava je někdy jediný možný způsob dopravy (např. doprava kapalin či plynů).

13.2.1HLAVNÍ ČÁSTI POTRUBÍ a) trubky a trouby

-179-

b) spoje trubek a trub − pro vytváření potrubí libovolné délky c) uzávěrky potrubí − k regulaci a úplnému zastavení průtoku d) tvarovky − pro změnu toku − dělení a spojování toků − k ukončení potrubí e) kompenzátory − pro vyrovnání tepelných dilatací potrubí v důsledku změn teplot f) části k uložení a upevnění potrubí g) vyprazdňovací soustavy − k odvzdušňování, odvodňování nebo vyprazdňování potrubí h) doplňující části potrubí − měření teploty, tlaku a množství − řízení tlaku (redukční a pojistné ventily) − ochranu potrubí (lapače kalu, sací koše, filtry, izolace, nátěry) − dálkovou kontrolu a ovládání

13.2.2 ROZDĚLENÍ POTRUBÍ a) dle protékající látky − vodní − parní − plynové − ropovody − pro dopravu sypkých hmot b) dle tlaku − vysokotlaké − nízkotlaké − podtlakové (vakuové) c) dle účelu − sací − výtlačné − chladicí − mazací − výfukové d) dle umístění − vnitřní − vnější − stěnové − dálkové − tranzitní

SPSKS

13.2.3 ZÁKLADNÍ VELIČINY POTRUBÍ e) Pracovní látka − látka dopravovaná potrubím – nejčastěji kapalina nebo plyn f) Pracovní teplota

-180-

g) h) i) j)

− předepsaná teplota pracovní látky – musí se v potrubí za provozu neustále udržovat Pracovní tlak − předepsaný tlak pracovní látky – musí se v potrubí za provozu neustále udržovat Jmenovitý tlak − maximálně přípustný tlak v potrubí – nesmí být překročen Jmenovitá světlost − velikost vnitřního průměru potrubí – udává se v milimetrech nebo v coulech/palcích Pracovní stupeň − kritérium podle něhož se dělí potrubí do skupin − v závislosti na: o pracovním tlaku o pracovní teplotě

13.2.4 POTRUBÍ V HYDRAULICKÝCH OBVODECH V hydraulických obvodech se nejčastěji používají ocelové bezešvé trubky podle ČSN 42 6710 – 78. Pro zvláštní použití např. na lodích, v chemickém průmyslu či v letecké hydraulice jsou určeny i jiné materiály, např. nerezavějící ocel, měď, hliník. Trubky Al připouštějí tlaky do 20 MPa a jsou určeny pro potrubí o DN ≤ 20. Při dlouhých potrubích, tj. délkách větších než 10 až 15 m, se počítají tlakové ztráty. Důležitou částí potrubí jsou potrubní spoje. Nejvíc se používají rozebíratelné spoje, a to buď strojírenská šroubení, nebo přírubové spoje. V hydraulických systémech se používají strojírenská šroubení napájená podle obr. 196, nebo strojírenská šroubení s kuželovým těsněním (obr. 197).

SPSKS

Obr. 196. Strojírenské šroubení ČSN13 7700

Obr. 197. Strojírenské šroubení ČSN 13 7782

13.3 HADICE Slouží ke spojení vzájemně se pohybujících prvků hydraulického obvodu. U pneumatických obvodů se používají i jako potrubí. Vyrábějí se z pryže nebo plastů. Konstrukce pryžové hadice závisí na výši pracovního tlaku (obr. 198). Pro pneumatické systémy se užívají hadice z plastů, které mají dokonalou ohebnost, snadno se spojují a připojují.

-181-

Obr. 198. Konstrukce vysokotlaké hadice. a) se dvěma ovinutími pro tlaky do 14 MPa, b) se čtyřmi ovinutími pro tlaky do 37 MPa; 1 – pryžová duše, 2 – textilní tkanina, 3 – ovin ocelovým drátem, 4 – pryžová mezivrstva, 5 – pryžový obal

Pro rychlé spojení a odpojení hadic slouží hadicové rychlospojky se samočinným uzavíráním, čímž se při rozpojování zabrání nežádoucímu úniku kapaliny nebo stlačeného vzduchu. Pro zabezpečení spolehlivosti provozu a potřebné životnosti je při montáži hadic třeba respektovat řadu doporučení výrobce. Je nezbytné dodržovat minimální poloměry ohybu, hadice nesmí být namáhány tahem a krutem. Na strojích musí být hadice chráněna před poškozením jejího povrchu. Příklady správné a špatné montáže hadic jsou na obr. 199.

SPSKS Obr. 199. Příklady montáže hadic A – správná montáž, B – špatná montáž

-182-

13.4 ARMATURY 14.1.1 KLAPKY − dovolují proudit médiu pouze v jednom směru, − škrtící klapka: o mění průtokový průřez ->množství protékané látky o nelze ji použít jako uzavírací přístroj – netěsní

14.1.2 KOHOUTY − − − − −

umožňují průtok v obou směrech, uzavírají velmi rychle - nelze použít pro nestlačitelné kapaliny, velmi dobře těsní, malý průtočný odpor, použití: kapaliny, plyny, páry.

14.1.3 VENTILY − − − − − −

umožňují průtok jen jedním směrem, uzavírají pomalu - pro proudící kapaliny, pro menší světlosti potrubí, dobře těsní - těsnící plochy lze opravit, použití: kapaliny, plyny, páry, velký průtočný průměr.

SPSKS

14.1.4 ŠOUPÁTKA − − − − −

umožňují průtok v obou směrech, uzavírají pomalu, horší přístup k těsnícím plochám, použití: kapaliny, plyny, páry; pro malé i velké světlosti, malý průtočný odpor.

14.1.5 POJISTNÉ VENTILY − jistí potrubí proti překročení maximálního přípustného tlaku, − talíř do sedla je tlačen: o pružinou o závažím

14.1.6 SACÍ KOŠ − zabraňuje vniknutí větších nečistot a předmětů do potrubí, − podobné zařízení: filtr: o zachycuje jemné nečistoty o vložku filtru je nutné občas vyjmout a vyčistit, případně vyměnit

14.1.7 ODLUČOVAČ VODY − zachycuje mechanické nečistoty těžší než pracovní látka, -183-

− založen na principu odstředivých sil, které působí při průchodu odlučovačem.

SPSKS

-184-

Opakováni a prohloubení znalostí 1. K čemu slouží potrubí Uveďte několik příkladů se života? 2. Co udržuje dopravovanou látku v pohybu?

3. Popište některé známe spojení trub! 4. Jaký je smysl ochrany potrubí? 5. Jaký materiál trub a trubek se používá? 6. Popište charakteristické prvky armatur!

14. MECHANIZMY Mechanizmy jsou funkční celky v hnacím systému

Motor (měnič energie)

Převodovka

Mechanizmus

Pracovní orgán.

Mají přeměnit a přenést energii dodávanou motorem (síla, pohyb,) na pracovní orgán (např. nástroje). tak, aby mohly pracovat podle stanoveného programu. Přeměna a přenos se dějí podle nelineární závislosti (přenosová funkce, pohybový zákon) dané kinematickými rozměry členů. Mechanizmy mohou být:

1. Kinematické (mechanické), např. různě uspořádaná táhla, páky a vedení u parních lokomotiv, kloubové mechanizmy u výložníků jeřábů, klikové mechanizmy spalovacích motorů, kompresorů a čerpadel, nůžkové nebo šroubové mechanizmy zvedáků, vačková mechanizmy ventilových rozvodů spalovacích motorů, řízení nástrojů u soustružnických automatů a pracovního pohybu u potravinářských, textilních a balících strojů vačkami apod., 2. Elektrické (probírají se v elektrotechnice) 3. Hydraulické, např. hydraulické převody s plynulou změnou otáček u obráběcích strojů a vozidel, hydraulické lisy a zvedáky, dálková ovládání, regulace a automatizace strojů a zařízení atd., 4. Pneumatické, např. mechanizace a automatizace strojů a zařízení, pneumatické nástroje (šroubováky, utahováky, vrtačky, brusky, sbíječky), servomotory (např.u vozidlových brzd) apod. Hydraulické a pneumatické mechanizmy se jedním slovem nazývají tekutinové mechanizmy. Často se používají kombinace uvedených mechanizmů, např. mechanizmy elektrohydraulické, elektropneumatické a hydropneumatické. Všechny hydraulicky řízené a ovládané pracovní operace nejrůznějších strojů mohou být plně automatizovány. K tornu je ovšem nutné účelné spojení hydraulických a elektrických konstrukčních prvků. Výhoda pneumatických mechanizmů zase spočívá v tom, že nositel energie — tlakový vzduch — je k dispozici na většině pracovišť. Jejich použití je však hospodárné pouze pro síly asi do 30 MN. Pro větší síly vycházejí příliš velké rozměry. Protože je vzduch stlačitelný, nehodí se pneumatické mechanizmy pro všechny účely. Tam, kde se vyžaduje rovnoměrný pohyb, osvědčily se pneumohydraulické systémy. V této kapitole se s ohledem na zaměření oboru budeme blíže zabývat tekutinovými mechanizmy.

SPSKS

-185-

14.1 TEKUTINOVÉ MECHANIZMY Tekutinové mechanizmy jsou zařízení, využívající tekutiny k přenosu energie mezi hnacím a hnaným členem a k přenosu informace. Tekutinou může být buď kapalina – potom jde o hydraulické mechanizmy nebo stlačený vzduch – pak jde o pneumatické mechanizmy. Pro přenos energie sloupcem tekutiny vyjádřený Bernoulliho rovnicí pro stacionární průtok platí vztah:

P = V.p/t = Q.P, kde Q je objem nositele energie za čas, tj. průtok. Z uvedených dvou určujících parametrů Q a p lze stanovit další parametry tekutinového mechanizmu pro přímočarý i rotační pohyb: příkon mechanizmu (výkon hnacího motoru)

P1 = M1. ω1 = M1.2.π.n1

výkon přenášený mechanizmem

PM = Q.p,

ztrátový výkon v mechanizmu

Pz = Qz pz = (QzG + QzM).pz,

výstupní výkon mechanizmu (příkon hnacího stroje) při rotačním pohybu

P2+ = M2.ω2 = M2.2.π.n2,

při přímočarém pohybu

P2 = F.v,

celková účinnost převodu

ηc = P2/P1.

SPSKS

Výpočty tekutinových mechanizmů jsou poměrně složité, zejména v oblasti jejich dynamického chování. Využívá se při nich nejen různých zákonů a vztahů, ale také výpočty z regulační techniky. Velký přínosem, zejména v oblasti simulace tekutinových systémů je výpočetní technika.

14.2 HYDRAULICKÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY Hydraulické systémy přenášejí energii při řízení i pohonech pomocí kapaliny obr.200).

Přednosti hydraulických pohonů: při velkém tlaku kapaliny je možné přenášet velké síly, je možné řídit rychlost pohonu, rovnoměrný pohyb (při rovnoměrném průtoku) díky nestlačitelnosti Obr. 200. Bagr s hydraulickými pohony hydraulické kapaliny, pevnostní ochrana proti přetížení pomocí tlakových omezovacích ventilů. Nevýhody hydraulických pohonů: zahřívání zařízení a následná změna viskozity hydraulické kapaliny, hluk hydraulických čerpadel, hydromotorů a ventilů při přepínání, vytékání prosakujícího oleje. -186-

14.2.1 ČÁSTI HYDRAULICKÝCH ZAŘÍZENÍ Hydraulická zařízení se skládají z čerpadel, rozvodů, ventilů, válců a hydromotorů (obr. 201). Hydraulické čerpadlo čerpá kapalinu ze zásobníku, stlačuje ji a žene trubkovým vedením přes hydraulické ventily k pohonům, jako jsou válce a hydromotory. Z nich pak kapalina vytéká zpětným vedením bez přetlaku zpět do zásobníku. Při překročení povoleného tlaku v některé části systému se kapalina vrací zpět přes přetlakové ventily do zásobníku. Zásobník uchovává potřebnou zásobu hydraulické kapaliny. Kapalina se musí také chladit čistit a doplňovat, aby se kompenzovaly ztráty prosakováním.

14.2.1.1 HYDRAULICKÉ KAPALINY Jako hydraulické kapaliny se používají minerální oleje, kapaliny s vysokou teplotou vzplanutí a biologicky likvidovatelné kapaliny (tabulka). Hydraulická kapalina by měla dobře mazat, odolávat vlivům stárnutí a neměla by působit agresivně na díly a těsnění hydraulického zařízení. Její viskozita by se neměla příliš měnit vlivem teploty a neměla by vytvářet pěnu. V hydraulických zařízeních vystavených vysokým teplotám. Např. u kovacích lisů se používají kapaliny špatně hořlavé a těžko zápalné. V prostředí citlivém na znečištění, např. v oblastech s ochranou čistoty vody, v zemědělství a v lesním hospodářství se používají kapaliny, rozkládající se biologicky na složky nezávadné pro životní prostředí.

SPSKS Obr. 201. Části hydraulického zařízení

14.2.1.2 HYDRAULICKÁ ČERPADLA Velikost a typ hydraulického čerpadla jsou závislé na požadovaném objemovém průtoku, tlaku a přípustných otáčkách rotačních částí. Objemovým průtokem je myšlen objem kapaliny, přečerpaný za jednotku času, např. 25 l/min. Čerpadla s neměnným výtlačným objemem na jednu otáčku hřídele, např. 10 cm3, se nazývají neřízená čerpadla. Je-li výtlačný objem přestavitelný, mluvíme o řízených (přestavitelných) čerpadlech. Přestavitelná čerpadla mají nastavitelný výtlačný objem na jednu otáčku.

-187-

Zubová čerpadla Rozlišují se zubová čerpadla s vnějším ozubením a zubová čerpadla s vnitřním ozubením (obr. 202). Přemísťují kapalinu v mezerách mezi zuby ozubených kol podél stěn komory čerpadla, resp. stěn srpku v komoře srpkového čerpadla ze sacího prostoru do tlakového prostoru. Zubová čerpadla nejsou přestavitelná.

Obr. 202. Zubová čerpadla

Obr. 203. Lamelové čerpadlo

Lamelová čerpadla Lamelový rotor má zářezy, ve kterých se pohybují ploché lamely, které jsou vytlačovány odstředivými silami, případně ještě pružinami na vnitřní stěny komory čerpadla (obr. 203). Kapalina se přemísťuje v pohybujících se komorách od sacích otvorů k výtlačným otvorům.

Pístová čerpadla

SPSKS

Rozlišují se axiální pístová čerpadla a radiální pístová čerpadla. U axiálního pístového čerpadla s šikmou osou nasává nejprve každý píst kapalinu ze sací strany a pak ji vytlačuje na výtlačnou stranu (obr. 204). U přestavitelného čerpadla se mění úhel mezi hnacím hřídelem s kotoučem a bubnem s písty. S úhlem se mění zdvih pístů a tím přečerpávané množství kapaliny. Změní-li se úhel sklonu hnacího hřídele na opačnou stranu, změní se při zachování směru otáčeni směr přečerpávání. Radiální pístová čerpadla mají válce uspořádané kolmo k ose otáčení (obr. 205). Rotor s válci se otáčí na excentricky přestavitelném hřídeli. Písty válců mají kluzné patky, klouzající po vnitřní stěně dutého prostoru čerpadla a vykonávají ve válcích přímé pohyby. Sací a vytlačovací otvory jsou uspořádány tak, že válce přečerpávají kapalinu ze sací strany na výtlačnou stranu.

Obr. 204.Axiální pístové čerpadlo s šikmou osou

Obr. 205. Radiální přestavitelné čerpadlo

-188-

Podle konstrukce se rozlišují zubová čerpadla, lamelová čerpadla, pístová čerpadla a případně ještě šroubová čerpadla a čerpadla s prstencovými rotorem.

14.2.1.3 HYDRAULICKÉ POHONY K hydraulickým patří hydraulické válce, hydromotory a hydraulické zásobníky.

Hydraulické válce Hydraulické válce jsou lineární pohony, působí tedy silou při přímočarém pohybu. Protože je kapalina prakticky nestlačitelná, je rychlost pohonu téměř nezávislá na zatíženi, což je výhoda oproti pneumatickým válcům. Hydraulické válce mohou být (podobně jako pneumatické válce) jednočinné nebo dvojčinné a bez tlumení nebo s tlumením (obr. 206). Sily působící na píst ve válci. Teoretická i účinná síla pohybujícího se pístu se počítá stejně jako u pneumatického válce.

Převod síly. V jednom uzavřeném prostoru, ve kterém může hydraulická kapalina volně proudit, má kapalina všude stejný tlak p0 (obr. 207). Podle Pascalova zákona se tlak v kapalinách a plynech šíří rovnoměrně všemi směry. Celková síla, působící na část plochy uzavřeného prostoru, např. na plochu pístu, je proto úměrná velikosti této plochy. Jednotlivé síly

F1 = p0.A1,

F2 = p0. A2

Převodové síly

F2 p 0 .A 2 A 2 = = F1 p 0 .A1 A1

SPSKS

Obr. 206. Dvojčinný hydraulický válec

Obr. 207. Převod síly v hydraulickém lisu

Objemový průtok kapaliny a rychlost pístu Rychlost v hydraulickém válci závisí na objemovém průtoku Q kapaliny a účinném průřezu pistu A kolmém ke směru pohybu (obr. 208). Objemový průtok je objem, který projde za jednotku času, např. Q = 16 l/min. Rychlost průtoku v trubkách a hadicích je tím větší, čím větší je objemový průtok a čím menší je příčný průřez vedení A (obr. 209).

Rychlost pístu a objemový průtok

v=

Q A

Příklad: Hydraulický válec (obr. 208) je plněn vedením (d1 = 16 mm) při objemovém průtoku Q = 12 l/min. Vypočtěte rychlost vysouvání pístu, rychlost zasouvání pístu a rychlost proudění kapaliny ve vedení. Řešení: rychlost vysouvání:

-189-

cm3 Q min =312 cm v= = A1 38,5 cm 2 min 12 000

rychlost zasouvání:

cm3 Q min = 635 cm = v= A2 18,9 cm 2 min 12 000

Rychlost proudění ve vedení:

cm3 Q min = 312 cm = 5,2m.s −1 v= = A1 min 38,5 cm 2 12 000

SPSKS Obr. 208. Rychlost pístu při vysouvání a zasouvání

Obr. 209. Rychlost proudění kapaliny v potrubí

Hydraulické motory (hydromotory) Hydromotory mění energii dodávanou hydraulickým čerpadlem prostřednictvím hydraulické kapaliny zpět na mechanickou energii přenášenou otáčejícím se hřídelem na poháněný stroj (obr. 210). Stlačená kapalina přitom pohání motor tlakem na zuby nebo lamely rotoru nebo na písty, převádějící lineární pohyby na rotační pohyb. Pro pomaloběžné pohony se používají hlavně radiální pístové (hvězdicové) hydromotory. Hydromotory bývají konstruovány jen pro jeden, nebo pro oba směry proudění kapaliny a bývají pevné konstrukce nebo přestavitelné. Poháněné stroje tak mohou být poháněny oběma směry otáčení, konstantními nebo přestavitelnými otáčkami. Příklad: Nepřestavitelný hydromotor vyžaduje na jedno otočení objem q = 10 cm3. Jaké má hydromotor otáčky při průtoku Q = 2 l/min? Řešení: rychlost vysouvání:

cm3 2 000 Q min = 200 1 n= = q min 10 cm3

-190-

Při pohonu kuličkového šroubu posuvu stolu obráběcího stroje obousměrným hydromotorem (obr. 211) je hydromotor zapínán střídavě oběma směry a vypínán pomocí 4/3 cestného ventilu.

Hydraulické zásobníky Hydraulický zásobník je zásobníkem stlačené kapaliny a zároveň zásobníkem energie ukryté ve stlačeném plynu (dusíku), odděleném od kapaliny pružnou membránou, měchem nebo pístem (obr. 212). Tlak v měchovém zásobníku je udržován díky rozpínavosti plynu téměř stále stejný i při kolísání objemu kapaliny a tím i doplňujícího objemu plastového měchu. Při velkém úbytku kapaliny měch přitlačí a uzavře ventil a tím se zabrání poškození měchu. Tyto zásobníky mívají objem do 2001. Membránové zásobníky mívají menší objem, a to 0,1 litru až 4 litry. Pístové zásobníky mívají pro větší stabilitu tlaku spojenou plynovou komorou s lahví se stlačeným dusíkem.

SPSKS Obr. 210. Hydromotor s prstencovým trochoidným zubovým rotorem

Obr. 211. Hydromechanický pohon stolu stroje

Obr. 212. Hydraulické zásobníky

-191-

Funkce hydraulických zásobníků: Odběr a uchovávání tlakové kapaliny při nečinnosti hydraulických válců a motorů, Dodávka většího množství tlakové kapaliny při rychloposuvech válců, Vyrovnávání ztrát prosakováním oleje, Krátkodobé vyrovnání výpadku hydraulického čerpadla, potřebné k bezpečnému ukončení pohybů stroje.

14.2.1.4 VENTILY Hydraulické ventily se dělí na cestné, zpětné, tlakové a průtokové.

Cestné ventily Jsou většinou konstruovány jako šoupátkové ventily (obr. 213). Při přestavování ventilu se přesouvá axiálně řídicí šoupátko.

SPSKS Obr. 213. 4/2 Cestný ventil

Obr. 214. Nastavovací ventil na cestnom ventilu

U velkých cestných ventilů je potřeba k přesouvání šoupátka velká síla, proto jsou ovládány předřazenými elektrohydraulickými ventily s elektromagnetickým ovládáním (obr. 214). Při vybuzení elektromagnetu předřazeného ventilu se přesune pístek předřazeného ventilu (na obr. 214 doprava). Předřazeným ventilem pak protéká kapalina od P do B na pravou stranu hlavního ventilu. Hlavní řídicí píst se přesune nalevo a otevře cestu z P na B a z A do T.

Zpětné ventily U zpětných ventilů s odblokováním může být blokovací účinek řídicím signálem zrušen (obr. 215). Řídicí pístek tlačí na kuželový sedlový ventil ve zpětném ventilu. Tím klesne tlak na výstupu B. Řídicí pístek pak může zvednout ze sedla uzavírací těleso. Pomocí zpětných ventilů s odblokováním mohou být zatěžované válce udržovány v libovolné přípustné poloze.

-192-

Obr. 215. Zpětný ventil s odblokováním

Obr. 216. Stlačování vzduchu

Tlakové ventily Tlakové ventily se dělí na regulační (mezní) a přepínací. Tlakové regulační ventily jsou mezní ventily, a to přetlakové (otvírají při přetlaku) nebo redukční (snižují tlak na nastavenou hodnotu). Oba tyto ventily udržují v systému požadovaný tlak bez ohledu na zatížení. Tlakové regulační ventily se začínají otvírat, dosáhne-li vstupní tlak nastavené hodnoty.

Průtokové ventily Pomocí průtokových ventilů lze měnit objemový průtok a tím měnit např. rychlost pohybu válce, nebo rychlost otáčeni hydromotoru. Průtokové ventily dělíme na ventily beztlakové regulace (škrticí a clonové ventily) a ventily s tlakovou regulací, tj. regulační průtokové ventily.

SPSKS

Objemový průtok škrticím ventilem závisí na nejmenší ploše průřezu ventilu a na rozdílu tlaků před ventilem a za ventilem p1—p2.

14.3 PNEUMATICKÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY (MECHANIZMY)

Technická disciplina s názvem pneumatika se zabývá přípravou a používáním stlačeného vzduchu při řízení a pohonu strojů a mechanizmů. Pneumatické systémy se používají např. při zavírání a otvírání dveří železničních vagonů a autobusů, u manipulátorů a balicích strojů, k pohonu pneumatických kladiv a utahováků.

15.1.1 ČÁSTI PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ Pneumatické systémy mají tři hlavní části: − výroba (příprava) stlačeného vzduchu s kompresorem, chladičem, odvlhčovačem a zásobníkem, − úprava stlačeného vzduchu, obsahující filtr, regulační tlakový ventil, rozprašovač oleje a hlavní ventil, − pneumatické řízeni, obsahující cestné, zpětné redukční (škrticí) a průtokové ventily a dále pneumatické pohony, jako pneumatické válce a pneumatické motory. Pneumatické systémy a jejich prvky se zobrazuji pomocí schémat zapojení, ve kterých se používají značky podle CSN ISO 1219—1. Schémata zjednodušují návrh, pochopení funkce, montáž a hledání závad v pneumatických systémech.

-193-

15.1.2 JEDNOTKY PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ Tlak v kapalinách a plynech Stlačuje-li píst s plochou S vzduch celkovou silou F, vznikne ve válci přetlak (oproti okolnímu tlaku) pe (obr. 216)

Tlak

pe =

F [Pa] S

Jednotkami tlaku jsou pascal (Pa) a bar (bar): 1 Pa = 1 N/m2 = 0,00001 bar, 1 bar = 10 N/cm2 pe = pabs + pamb

Přetlak

Opakováni a prohloubení znalostí 1. Jaké funkce má hydraulická kapalina? 2. V čem spočívá rozdíl mezi zásobováním hydraulických pohonů nepřestavitelným a přestavitelným čerpadlem?

3. V jakých případech se používají přestavitelné cestné ventily? 4. Čím se liší regulační průtokový ventil od škrticího ventilu?

15.1.3 PNEUMATICKÉ POHONY

SPSKS

Pneumatické válce

Písty pneumatických válců vykonávají lineární pohyby dvěma opačnými směry. Rozlišují se jednočinné a dvojčinné válce. V jednočinném válci přesouvá stlačený vzduch píst jen jedním směrem (217). Do výchozí polohy zpět je píst vrácen vestavěnou pružinou.

Obr. 217. Jednočinný válec

Obr. 218. Dvojčinný válec

Ve dvojčinném válci přesouvá stlačený vzduch píst oběma směry (obr. 218). Ve válcích s koncovými tlumícími brzdami se rychlost pístu při dojezdu do koncových poloh plynule zmenšuje. Při dojezdu uzavírá tlumící čep pístu velký centrální otvor a vzduch tlačený před pístem může proudit jen přepouštěcím kanálem přes nastavitelný škrticí ventil. Tím vzniká

-194-

protitlak tlumicí dojezd pístu. Píst je pružně dobrzděn a dojíždí do koncové polohy malou rychlostí. Rychlost dojezdu se dá nastavit škrticím ventilem. Pneumatické válce se zakreslují do schémat pomocí normalizovaných značek podobně jako všechny ostatní prvky (obr. 217 a obr. 218).

Válce bez pístní tyče Pneumatický válec může mít pístní tyč (jednostrannou nebo oboustrannou), nebo pístní tyč nemá a pohyb pístu se přenáší jinak. Válce bez pístní tyče zabírají méně místa než válce s pístní tyčí (obr. 219). Pohyb pístu se může přenášet mechanicky nebo magneticky. Při mechanickém přenosu síly na unášeč vně válce se pohyb přenáší můstkem, zapadajícím do pístu i do unášeče. Můstek se pohybuje v podélné drážce válce, kryté zevnitř i zvenku ocelovým páskem. Pásky se vzdálí od stěn válce jen v místě můstku. Vnitřní pásek utěsňuje válec proti úniku vzduchu a vnější pásek je ochranou proti nečistotám (obr. 220). Jiný způsob mechanického přenosu síly využívá lana, nebo pásku upevněného v pístu a vedeného přes kladky na vnější unášeč, který se pohybuje ve vedení na válci jako saně a může přenášet síly působící na píst.

SPSKS Obr. 219. Potřeba místa pneumatických pístů

Obr. 220. Válce bez pístní tyče

Pneumatické motory Pneumatické motory jsou pro malou hmotnost vzhledem k výkonu a snadnou obsluhu používány jako pohony pro různé druhy nářadí, jako ruční utahováky a brusky, pro zdvihací mechanizmy. Nejčastěji používané pneumatické motory jsou pístové motory, lamelové motory a turbínové motory. Pneumatický lamelový motor má skříň s vnitřním válcovým prostorem a excentricky uložený válcový rotor s podélnými drážkami, ve kterých jsou uložené výsuvné lamely, tlačené odstředivými silami na stěny a rozdělující vnitřní prostor na 4 až 5 komor (obr. 221). Přetlak vzduchu tlačí na lamelu ve směru pohybu komory větší silou, protože je vlivem excentricity rotoru více vysunuta a má proto větší plochu. V části motoru, ve které se lamely zasouvají zpět do drážek, se stlačený vzduch vypouští ven. Krouticí moment motoru závisí na tlaku vzduchu a ploše vysunuté lamely. Obousměrný pneumatický lamelový motor má dva vstupy, do kterých je vzduch alternativně směrován 4/2-cestným ventilem.

-195-

Obr. 221. Pneumatický lamelový motor

Ventily Pneumatické ventily jsou obdobně jako u hydraulických ventilů (viz předešlí kapitola) rozděleny na cestné, blokové, průtokové a tlakové.

15. PŘEVODY

SPSKS

Při přenosu točivého pohybu hřídele hnacího na hnaný se používají mechanické převody nebo převodové mechanizmy, stručně převody. Převody proměňují otáčky a točivý moment hnacího stroje (motoru) na pracovní stroje. Dále také přenášejí popř. rozdělují energii z hnacího na hnaný stroj. Převod tvoří v podstatě vstupní hřídel, výstupní hřídel a nepohyblivý rám (skříň), v němž jsou oba hřídele vzájemně propojeny mechanicky, elektricky, hydraulicky nebo pneumaticky.

Základní vztahy Převodový poměr Je poměr úhlové rychlosti hnacího hřídele k hnanému, nebo otáček hnacího hřídele ku hnanému. i1, 2 =

ω1 n1 = . ω2 n 2

Pravidlo pro znaménko u rovnoběžných hřídelů: Při stejném smyslu otáčení obou hřídelů je převodový poměr i kladný, při opačném smyslu je i záporný. Účinnost Je dána poměrem výstupního a vstupního výkonu: η=

P2 M 2 .ω2 = . P1 M1.ω1 -196-

Točivé momenty Vtah mezi výkonem, úhlovou rychlostí (otáčkami) a momentem: M=

P P . = ω 2.π.n

pro vstup P1 = M1.ω1, pro výstup P2 = M2.ω2

Výběr vhodného druhu převodu Před návrhem převodu nutno shromáždit a pečlivé posoudit všechny požadavky, provozní podmínky, přání uživatele a dosavadní zkušenosti (funkce). V další části představíme jen některé druhy převodů, které jsou aktuální pro obor vzdělání.

15.1 ŘEMENOVÉ PŘEVODY Řemenové převody (řemenové pohony) jsou založeny na přenosu tahové síly (obr. 222 a 223). Převádějí točivé momenty a otáčky mezi dvěma hřídeli, jejichž vzdálenost může být větší než při převodu ozubenými koly. Protože jsou řemeny z nekovových materiálů (textilií, pryže, plastů), mají odlišné vlastnosti než ozubené a řetězové kovové převody.

SPSKS Obr. 222. Variátor s širokým klínovým řemenem

Obr. 223. Pohon hlavního vřetena soustruhu

Napínání řemenů Kvůli přenosu sil třením mezi řemenicemi a řemenem musí být řemen napínán, aby byl přitlačován k povrchům řemenic (obr. 224). Napnutí řemenu lze dosáhnout: − nasazováním řemenu na řemenici s takovou pevnou roztečí, že se napne, nebo napínání řemenu napínací kladkou při pevné rozteči hřídelů, − změnou rozteče hřídelů posouváním nebo naklápěním jednoho zařízení s řemenicí, např. motoru nebo alternátoru, pomocí napínacího šroubu.

-197-

Obr. 224. Možnosti napínání řemenů

Obr. 225. Pohon plochým řemenem

Druhy řemenů Řemeny je možné dělit podle druhu přenosu síly na hladké (ploché a klínové) řemeny (třecí přenos síly) a na ozubené řemeny (tvarový přenos síly).

Ploché řemeny

SPSKS

Obvodová síla na řemenici (táhnoucí řemen) závisí na koeficientu tření a tlaku řemenu na řemenici, závislém na napnutí řemenu a exponenciálně na úhlu opásání řemenice. Úhel opásání se dá zvětšit napínací kladkou.

Konstrukce řemenu. Plochý řemen má většinou dvě nebo více vrstev. Dotyková třecí vrstva bývá tvořena chromitou usní (vyčiněnou bazickými chromitými solemi), která má velký koeficient tření na litinových řemenicích. Nosná (tahová) vrstva je z plastu s velkou pevností a malou průtažností. Zvláštní vlastnosti plochých řemenů. Velká pružnost řemenů umožňuje převodový poměr až 20:1, malé vzdálenosti os, velkou rychlost řemenu (do 100 m/s) a přenos velkých výkonů (obr. 225). Příklady použiti. Pohony obráběcích, textilních a papírenských strojů, pohony válečkových dopravníků, transportní pásy. Klínové řemeny Klínový řemen je tahem vtlačován do klínové drážky řemenice, ve které je při mírném zešikmení dosahováno velkého kolmého tlaku klínového řemenu na šikmé stěny drážky a tím i velké třecí síly a přenosu velkých krouticích momentů.

Konstrukce řemenu. Obalovaný klínový řemen se skládá z tažných textilních polyesterových vláken, pryžového jádra zesíleného částečně příčnými vlákny a z obalu z tkaniny odolné proti otěru. Řezané klínové řemeny s nekrytými boky mají mnoho textilních vrstev a velkou pevnost.

-198-

Zvláštní vlastnosti. Diky svěrnému klínovému efektu stačí k dostatečnému tření v klínové drážce malá napínací síla klínového řemenu. Vzhledem k velkému průřezu a pevnému sevření řemenu v klínové drážce je odpor převodu větší než u převodu s plochým řemenem. Tento odpor (hlavně při ohýbání řemenu) lze zmenšit výřezy (zubovým profilem) spodní úzké strany řemenu. Druhy řemenů. Pro různé požadavky se používají klínové řemeny různých průřezů a různých konstrukcí (tabulka).

Ozubené řemeny (synchronní řemeny) Přenos sil ozubenými řemeny není třecí, ale je tvarový, zprostředkovaný ozubením řemenu a řemenic. Ozubené řemeny spojují přednosti plochých a klínových řemenů s přesností řetězových převodů (bez prokluzu).

Druhy ozubených řemenů. Rozlišujeme jednostranně a oboustranně ozubené řemeny s různými profily ozubení (obr. 226). Zvláštní vlastnosti. Převody ozubenými řemeny vyžadují jen malé napnutí řemenů a proto málo zatěžují ložiska řemenic radiálními silami. Hodí se pro přesné převody (bez prokluzu) při přenosech malých a středních výkonů. Příklady použití. Pohony posuvů obráběcích strojů, kopírek (obr. 226), tiskáren, mincovních automatů a vačkových hřídelů.

SPSKS Obr. 226. Oboustranně ozubený řemen

-199-

Přednosti a nedostatky řemenových převodů Přednosti: pružný přenos síly, tichý chod, tlumení rázů, možnost velké vzdálenosti hřídelů, malé nároky na údržbu, nevyžaduje mazání. Nedostatky: skluz vlivem protažení řemenu, není přesný převodový poměr, omezená provozní teplota, dodatečné zatížení silami potřebnými k napnutí řemenu.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Čím se vyznačují řemenové převody plochými řemeny? 2. Jaké profily mají klínové řemeny? 3. Jak vypadá klínový řemen s nekrytými boky? 4. Čím se vyznačují převody s klínovými řemeny?

SPSKS

15.2 ŘETĚZOVÉ PŘEVODY

Řetězové převody jsou založeny na přenosu tahové síly podobně jako řemenové převody. Převádějí točivé pohyby mezi dvěma nebo více hřídeli. Řetězy jsou většinou vyrobené z ušlechtilé oceli a jsou proto pevnější, ale také hmotnější, než řemeny.

Vlastnosti a použití řetězových převodů Řetězový převod je synchronní s neměnným převodovým poměrem (bez prokluzu) a může přenášet velkou tahovou sílu na velkou vzdálenost. Řetězové převody jsou odolné proti nepříznivým okolním vlivům a používají se proto např. u tvářecích strojů (obr. 227), v dopravnících, u jízdních kol a motocyklů, a také u dřevozpracujících a stavebních strojů.

Obr. 227. Řetězové pohony válců válcovací linky

Obr. 228. Článkový řetěz a kloubový řetěz

-200-

Druhy řetězů Řetězy dělíme na článkové, kloubové (obr. 228), zubové a speciální. Článkové řetězy lze použít jenom jako zátěžové k navázání břemen. Nemusí se mazat snášejí hrubý provoz i vysoké teploty. Kloubové řetězy se většinou používají v řetězových převodech. Rozlišují se válečkové řetězy, čepové řetězy (Gallovy a Fleyerovy) a pouzdrové (transmisní) řetězy.

Válečkové řetězy (obr. 229). Odvalování kalených a broušených válečků po bocích zubů ozubených kol je provázeno jen malým třením a tím i malým opotřebením. Mazací film mezi řetězovým (ozubeným) kolem, válečky a pouzdry navíc tlumí hluk. Použití válečkových řetězů (příklady): – – –

rozvodový řetěz spalovacího motoru, hnací řetěz motocyklu, transportní řetězy v dopravníku.

Pro přenos velkých sil, jako např. u válcovacích linek (obr. 227) se používají víceřadé válečkové řetězy (obr. 230). Bývají dvouřadé, třířadé nebo čtyřřadé.

SPSKS

Obr. 229. Konstrukce válečkového řetězu

Obr. 230. Víceřadové válečkové řetězy

Čepové řetězy (obr. 231). Jsou nejjednodušším druhem kloubových řetězů a skládají se jen z čepů a unášecích destiček. K hlavním druhům čepových řetězů patří Gallovy řetězy a Fleyerovy řetězy. Gallovy řetězy se používají pro malé rychlosti do 0,5 m/s a pro přenos malých výkonů. Fleyerovy řetězy jsou čistě zátěžové a nejsou vedené přes ozubená řetězové kola, ale přes vodicí kladky. Používají se např. jako zvedací řetězy u vysokozdvižných vozíků a jako napínací řetězy, nebo řetězy nesoucí protizávaží výtahu. Zubové řetězy jsou zvláštním druhem čepových řetězů, mají tichý chod a hodí se pro rychlosti do 30 m/s. Používají se např. jako rozvodové řetězy ve spalovacích motorech. Pouzdrové řetězy. Vnitřní unášecí destičky jsou nalisované na dutá pouzdra (obr. 231). Pouzdra jsou uložená pohyblivě na čepech, které jsou pevně nanýtované do vnějších unášecích destiček. Pouzdrové řetězy mají ve srovnání s čepovými řetězy, díky menšímu měrnému tlaku mezi čepem a pouzdrem, menší opotřebení. Používají se např. jako dopravní řetězy s malými články a jako řetězy pro jízdní kola s roztečí půl palce.

-201-

Obr. 231. Konstrukce různých kloubových řetězů

Obr. 232. Řetězová kola

Řetězová kola (obr. 232). Velikost a tvar řetězových kol jsou určeny velikostí řetězu, počtem zubů a přenášeným momentem. Rozlišují se dva základní tvary, a to bez náboje (pro menší momenty) a s nábojem (pro větší momenty). Osy řetězových kol musí být vodorovné, aby nedocházelo k bočnímu průvěsu. Přednosti a nedostatky řetězových převodů Přednosti:

SPSKS

synchronní převod bez prokluzu, konstantní převodový poměr, přenos velkých sil, necitlivost na vlhkost, prach a vyšší teplotu. Nedostatky: omezená rychlost řetězu, velká hlučnost, nutnost mazání, sklon ke kmitání při nárazovém zatížení.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké rozlišujeme základní typy řetězů? 2. Jakými parametry se liší řetězové převody od řemenových? 3. Popište válečkový řetěz a jeho přednosti. 4. Čím se vyznačují zubové řetězy? Kde se tyto řetězy používají?

15.3 PŘEVODY OZUBENÝMI KOLY Převody ozubenými koly převádějí otáčivý pohyb a točivý moment z jednoho hřídele na druhý (obr. 233). Zuby obou kol do sebe zapadají a tvoří tvarový přesný převod bez prokluzu. Plochy zubů se po sobě odvalují bez prokluzu (u cykloidního ozubení) nebo jen s nepatrným prokluzem (např. u standardního evolventního ozubení). Ozubení může přenášet nepatrné síly (v hodinkách) nebo velké sily, resp. momenty a výkony (v převodovkách motorových

-202-

vozidel, stavebních a výrobních strojů) s přesným poměrem, daným poměrem počtů zubů. Ozubené převody se dají realizovat při malých vzdálenostech os hřídelů.

Obr. 233. Ozubená kola v převodovce

Obr. 234. Funkce převodu ozubenými koly

Ozubenými koly se dají přenášet otáčivé pohyby a přitom měnit otáčky, točivý moment nebo směr otáčení (obr. 234).

Rozměry ozubených kol Rozměry zubů standardního evolventního ozubení (obr. 235). Velikost zubů je daná hlavně roztečí p zubů na roztečné (valivé) kružnici s průměrem d. Tvar zubů je ovlivněn počtem zubů (u evolventního ozubení minimálně 17, pokud nemají být zuby u paty zeslabeny). Při návrhu ozubených převodů se používá veličiny m = p/π nazývané modul ozubení a představuje přírůstek průměru roztečné kružnice při přidání jednoho zubu bez změny rozteče p (délky oblouku roztečné kružnice mezi sousedními zuby). Hodnoty modulu jsou normovány a udávají se v mm. Ostatní rozměry, jako výška zubu h, jsou odvozeny od modulu. Výška zubu je ve většině případů daná vztahem h = m.13/6. Ozubená kola převodu (zapadající do sebe) musí mít stejný modul,

SPSKS

Rozměry ozubeného kola s evolventním ozubením (obr. 235). Rozměry ozubeného kola jsou odvozené z modulu m a počtu zubů z. Průměr roztečné kružnice d = m.z, průměr hlavové kružnice da = d + 2 m. Mezi hlavovou kružnicí jednoho kola a patní kružnicí druhého kola musí být hlavová vůle c (zpravidla 0,25.m). Jsou-li známé modul, počet zubů a hlavová vůle ozubeného kola, mohou být z tabulek určeny všechny ostatní rozměry potřebné k jeho výrobě.

Obr. 235. Čelní ozubená kola s přímými zuby

-203-

Převodový poměr Mají-li dvě kola ozubeného převodu odlišné počty zubů, mění převod otáčky i kroutící moment. Menší kolo se někdy nazývá pastorek a větší kolo věnec nebo talíř.

Vzdálenost os Vzdálenost os kol ozubeného převodu a je součtem poloměrů roztečných kružnic: a = (d1 + d2)/2.

Příklad: Parametry ozubeného kola: počet zubů z = 20, modul m = 2 mm, hlavová vůle c = 0,2.m. Jaký je průměr roztečné kružnice a průměr hlavové kružnice? Řešení: d = m.z = 2 mm.20 = 40 mm da = d + 2.m = 40 mm + 2.2 mm = 44 mm

Druhy ozubení Tvar zubů ozubených kol je konstruován tak, aby se plochy vzájemně se dotýkajících kol (hnacího a hnaného) pro sobě odvalovaly pokud možno s minimálním prokluzem, který vede k většímu opotřebení a zahřívání. Kromě toho by měla být ozubená kola jednoduše a levně vyrobitelná. Tvar zubů by měl vyhovovat i z pevnostního hlediska a ozubené soukolí by nemělo být citlivé na malé odchylky ve vzdálenosti os. Požadavek čistého odvalováni bez smyku splňuje pouze cykloidní ozubení, které má však pevnostně nevýhodný tvar zubů (zúžený u paty) a převod vyžaduje přesné dodržení rozteče kol, hodí se proto jen pro hodinové stroje. Evolventní ozubení. Všechny výše zmíněné požadavky nejlépe splňuje evolventní ozubení. Geometrické vytvoření evolventy pomocí konce vlákna odvíjeného v rovině z válcové plochy je znázorněné na obr. 236.

SPSKS

Obr. 236. Konstrukce evolventy

Obr. 237. Ozubená tyč

Obr. 238. Podřezání zubu a korekce

Ve strojírenství a v motorových vozidlech se používají převody s evolventním ozubením. Při geometrické konstrukci ozubení se používá ozubená tyč s úhlem ozubení (stěn zubu) 40° (obr. 237). Body dotyku při otáčení kola a posouvání ozubené tyče leží v jedné rovině (v řezu na obr. 237 v jedné přímce). Tato záběrová rovina (přímka) svírá s roztečnou kružnicí (resp. odpovídajícím válcem), tj. s její tečnou úhel záběru, v tomto případě 20°. V běžných případech se dotýká příčná osa profilu zubu roztečné kružnice ozubeného kola. Vtom případě mluvíme o ozubených kolech s nulovou korekcí. Úhel záběru lze korigovat v případě, že hrozí podřezání zubů nebo špičatost zubů.

-204-

Má-li evolventní ozubené kolo méně než 17 zubů, jsou při nulové korekci a úhlu záběru 20° zuby u paty zeslabeny; říkáme, že jsou podřezané (obr. 238). Zkrátí se tím také doba záběru. Posunutím čáry (kružnice), která se dotýká příčných os zubů, směrem od středu od roztečné kružnice, lze podřezání zubů odstranit. Při přílišném posunutí od středu však dochází ke špičatosti zubů. Stanovení korekce je kompromisem mezi podřezáním a špičatostí zubů. Kromě evolventního ozubení jsou v oblasti přesné mechaniky používány stále více ozubené převody s kruhovým profilem (Novikovo ozubemí) a při konstrukci velkých strojů se u ozubených věnců používá cévové ozubení, složené z palečného kola (ozubeného) a cévového kola, které má místo zubů válcové čepy.

Druhy ozubených kol a převodů V závislosti na vzájemné poloze os kol ozubeného převodu rozlišujeme ozubená kola čelní, kuželová, šroubová, šneková (tabulka 1) nebo hypoidní (obr. 239).

Čelní ozubená kola Při ozubeném převodu mezi rovnoběžnými hřídeli je možný vnější nebo vnitřní převod koly s čelním ozubením. Podle polohy zubů (os jejich profilů) k ose otáčeni (rovnoběžné nebo mimoběžné) se rozlišuje přímé, šikmé a šípové ozubení (viz tabulka).

SPSKS Kuželová ozubená kola Jsou-li roviny otáčení ozubených kol k sobě kolmé a osy otáčení kolmé nebo mimoběžné, je možné použít ozubená kola s přímým, šikmým nebo obloukovým ozubením. Při použití obloukového ozubení a speciálního profilu zubů se nemusí osy převodových ozubených kol protínat, ale mohou být mimoběžné (hypoidní převod) při zachování kolmosti rovin rotace kol, což přináší při větší ploše záběru tišší chod (obr. 239), ale větší tření při vzájemném příčném pohybu a tím větší zahříváni a opotřebení oleje.

-205-

Obr. 239. Kuželová kola s obloukovým ozubením

Šnekové převody Šnekové převody se používají pro dosažení velkého převodového poměru do pomala v poměru až 100:1. Osa šneku leží zpravidla v rovině otáčení šnekového kola (obr. 240). Šnek může být levotočivý nebo pravotočivý a může být jednochodý nebo vícechodý. Jednochodý šnek má malý úhel stoupáni a tím také velké tření a velké opotřebení. Je-li úhel stoupání závitu šneku menší než 5°, je šnek samosvorný. Šnekové převody jsou tiché a mohou převádět točivý moment na větší (až stonásobný), což vyžaduje odpovídající pevnosti ložisek (u šneku axiální a u šnekového kola radiální).

Výroba ozubení Ozubená kola se většinou vyrábějí třískovým obráběním, a to odvalovacím frézováním a odvalovacím broušením na odvalovacích frézkách a odvalovacích bruskách. Při odvalovací technologii stačí pro každou hodnotu modulu ozubení jeden nástroj. Při odvalovacím frézování se synchronně s posuvem a otáčením frézy se šroubovitě uspořádanými řeznými nástroji otáčí a posouvá obráběné ozubené kolo podobně jako šnekové kolo v záběru se šnekem (obr. 241). Synchronně se šroubovitým pohybem musí být během jedné otáčky frézy přestaveno (otočeno) obráběné kolo o jednu zubovou rozteč p. Obráběné kolo je šroubovitě přestavováno a je plynule obráběno po celé šířce zubu.

SPSKS

Obr. 240. Šneková převodovka

Obr. 241. Odvalovací frézování

K dalším odvalovacím obráběcím postupům pro výrobu evolventních ozubených kol patří odvalovací hoblování, odvalovací obráženi (obr. 242), odvalovací broušení a ševingování (zaškrabávání). Obrábění profilovými nástroji, jako profilové frézování a profilové broušeni je možné realizovat na standardních (ne odvalovacích) obráběcích strojích. Pro každý modul a -206-

každý počet zubů je však zapotřebí speciální profilový nástroj, aby odpovídal přesně i tvar mezery mezi zuby (který při odvalovacím postupu vzniká automaticky). V souladu s požadavky na hotová ozubená kola jsou kola bud‘to vyrobena na jediném stroji (odvalovací frézce), nebo jsou po frézování a po zakalení stran (často také pat) zubů kola broušena, ševingována (vícebřitovým zaškrabávacím nástrojem), válečkována (pro zpevnění povrchu), honována nebo lapována.

Opakování a prohloubení znalostí 1. Jakou funkci mají ozubená kola? 2. Co je to modul ozubeného kola? 3. Jaké rozlišujeme druhy ozubených převodů?

4. Jaké přednosti a nedostatky mají kola se šikmým čelním ozubením? 5. Jak se dá sestrojit evolventa? 6. Jaké obráběcí postupy se používají při výrobě ozubených kol?

SPSKS

-207-

POUŽITÁ LITERATURA [1] André, J. – Bečka, J. – Birovský, O. – Urban, B.: Provozuschopnost výrobních zařízení II., [2] Praha, SNTL 1987. [3] Bolek, A.: Kochman J. a kol: Tech. průvodce 6, Části strojů 1, SNTL Praha, 1989, str. 254 - 257 [4] Bureš, V.: Části strojů 1, VŠSE Plzeň, 1988, s. 64 – 65. [5] Boháček, F.: Části a mechanizmy strojů 1, VUT Brno, 1984. [6] Dillinger, J. a kol.: Moderní strojírenství pro školu i praxi, Praha, Sobotáles 2007. [7] Fischer, U. a kol.: Základy strojírenství, Praha, Sobotáles 2004. [8] Kříž, R, a kol.: Strojírenská konstrukce II., Praha, SNTL1987. [9] Kříž, R, – Vávra, P.: Strojírenská příručka, Praha, Scientia 1994. [10] Leinveber, J. – Vávra, P.: Strojnické tabulky – čtvrté doplňkové vydání, Praha, ALBRA 2008. [11] Švercl, J.: Technické kreslení, Praha, Scientia 2003. Blažek, V.: Pružiny a svazky pružnic. Praha, SNTL I 953. [12] Černoch, S.: Strojně technická příručka 1. Praha, SNTL 1977.

ODBORNÉ ČASOPISY [1] MM Průmyslové spektrum, 2006; 2007; 2008; 2009, MM publishing, s.r.o.,. [2] Strojírenství – Strojírenství 2007; 2008; 2009, MED/A/ST Žilina. [3] Technický týdenník, 2008; 2009, Business Media, s.r.o., Praha.

INTERNET [1] Základy strojnictví a části strojů. [2] Katedra částí mechanizmů strojů – TU v Liberci. [3] Konstrukce strojů a zařízení i - spojovací části strojů.

SPSKS

-208-

SPSKS

-209-

SPSKS