Projekt OP RLZ Opatření 3.1-0205 Tento projekt je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Dokument byl vytvořen s finanční podporou Evropské unie a České republiky. Obsah tohoto dokumentu je plně v zodpovědnosti příjemce grantu a nelze jej v žádném případě považovat za oficiální stanovisko Evropské unie a České republiky.
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Distanční text
© 2007
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Celkový obraz O modulu: Tento modul je základem pro výuku předmětu Stavba a provoz strojů. Zabývá se způsoby spojování strojních součástí. V jednotlivých kapitolách jsou probírány různé druhy spojení podle jejich principu a účelu. Nejdříve jsou probírány spoje, které lze bez poškození rozebrat, potom nerozebíratelné spoje. V každé kapitole je proveden základní pevnostní výpočet konkrétního spoje. Obsah modulu je velmi široký, proto je na jeho probírání vyčleněn dostatečný počet vyučovacích hodin. Pomůcky a nástroje: •
ukázky jednotlivých druhů spojů
•
modely spojování součástí
•
řezy spojovanými součástmi
Pravidla a konvence: Učební text má podobu nejdříve vysvětlení principu funkce spojení (v obrázku) a poté teoretický pevnostní výpočet (kontrolní nebo návrhový), za kterým následuje konkrétní číselný příklad. Za každou větší kapitolou je zařazen autotest na prověření získaných vědomostí.
21. ledna 2008
Strana 2/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Obsah 1.
Obecné rozdělení spojů
5
1.1
Obecné skupiny spojů
5
2.
Šroubové spoje
2.1
Základní druhy šroubových spojů 8
2.2
Druhy šroubů, matic a podložek
2.3
Pojištění šroubových spojů 15
2.4
Závity 17
2.5
Lícování závitů
2.6
Silové poměry v závitech
2.7
Příklad
2.8
Montáž a demontáž šroubových spojů
2.9
Pevnostní výpočet šroubů 26
2.10
Příklad
28
2.11
Příklad
30
2.12
Autotest
31
3.
Kolíkové a čepové spoje
3.1
Kolíkové spoje
3.2
Čepové spoje 37
3.3
Výpočet kolíků a čepů
3.4
Autotest
4.
Spoje hřídele s nábojem
4.1
Rozdělení spojů hřídele s nábojem 42
8 9
19 20
23 23
34
34 38
40 42
4.1.1. Spojení s tvarovým a kombinovaným stykem 4.1.2 Spojení se silovým stykem 4.2
Perové spoje 45
4.3
Příklad
4.4
Klínové spoje 48
4.5
Svěrné spoje 49
4.6
Tlakové spoje
4.7
Příklad
51
4.8
Autotest
52
21. ledna 2008
42
44
47
50
Strana 3/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje 5.
Nýtové spoje 54
5.1
Princip nýtování
54
5.2
Přímé nýtování
55
5.3
Nepřímé nýtování
55
5.4
Výpočet nýtových spojů
6.
Svarové spoje
6.1
Princip, výhody a nevýhody svařování
59
60
6.1.1 Výhody svarových spojů
60
6.1.2 Nevýhody svarových spojů
61
60
6.2
Rozdělení svarových spojů 61
6.3
Konstrukce svarových spojů
6.4
Výpočet svarových spojů
6.5
Příklad
7.
Pájené spoje 68
7.1
Princip pájení, výhody a nevýhody
7.2
Rozdělení pájení, konstrukce pájených spojů
8.
Lepené spoje 70
8.1
Princip lepení, výhody a nevýhody 70
8.2
Výpočet a konstrukce lepených spojů
8.3
Autotest
21. ledna 2008
62
64
66 68 69
70
72
Strana 4/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
1. Obecné rozdělení spojů Popis lekce: V lekci je provedeno obecné rozdělení spojů podle různých kritérií, vysvětlení základního principu jednotlivých druhů spojení a příklady jejich užití v praxi. Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: rozebíratelný spoj, nerozebíratelný spoj, tvarový styk, silový styk, materiálový styk. Motivace k lekci: Spojovací součásti jsou nejrozšířenějším druhem strojních součástí. Téměř všechny strojírenské výrobky se skládají z více částí a pro správnou funkci celého výrobku je důležité tyto části bezpečně spojit. Volba správného druhu spojení závisí na mnoha aspektech, z nichž nejdůležitější jsou provozní a ekonomická hlediska. Proto je důležité mít obecný přehled o principu funkce jednotlivých druhů spojení a tím i o vhodnosti jejich použití. Výklad:
1.1 Obecné skupiny spojů Spojovací součásti jsou nejrozšířenější skupinou strojních součástí. Protože se používání těchto součástí opakuje u různých typů výrobků, je velmi vhodné sjednotit jejich vlastnosti – rozměrové, materiálové i pevnostní – a vyrábět tyto součásti ve velkých sériích a tedy i ekonomicky. U spojovacích součástí je nejvíce propracovaná normalizace, typizace a unifikace. Je tedy umožněna vzájemná zaměnitelnost spojovacích součástí, což je velmi výhodné při různých opravách, kontrolách nebo revizích strojních zařízení. Podle způsobu přenosu zatížení z jedné součásti do druhé dělíme spojovací součásti do 3 skupin (příp. do 4, pokud se uvažuje kombinace tvarového a silového styku jako samostatná skupina) – viz obr. 1. Podle provedení spoje se spoje dělí do 2 skupin – rozebíratelné spoje (při demontáži je lze bez poškození rozebrat a při montáži znovu složit) a nerozebíratelné spoje (při demontáži se poškodí spojovací nebo spojovaná součást a při opětovné montáži je nutné tyto poškozené součásti nahradit novými).
21. ledna 2008
Strana 5/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 1 - Rozdělení spojů
•
tvarový styk (obr. 2) – tvar stykových ploch v místě spojení je navržen tak, že přenášená síla působí kolmo na tyto stykové plochy, plochy se o sebe opírají a tím se přenáší výkon z jedné součásti na druhou. Obrázek 2 - Tvarový styk
•
silový styk (obr. 3) – spojované součásti jsou na sebe pevně přitištěny, takže mezi spojovanými součástmi vzniká velká třecí síla. Výkon se z jedné na druhou součást přenáší třením.
21. ledna 2008
Strana 6/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 3 - Tvarový styk
•
materiálový styk (obr. 4) – součásti jsou navzájem propojeny pomocí přídavného materiálu, který je nerozebíratelně propojen se spojovanými součástmi Obrázek 4 - Materiálový styk
21. ledna 2008
Strana 7/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
2. Šroubové spoje Popis lekce: Lekce popisuje rozdělení šroubových spojů, jejich části a základní pevnostní výpočet. Část lekce se věnuje principu šroubových spojů - závitu. Neoddělitelnou součástí této části je označování šroubových spojů dle norem. Délka lekce: 315 minut Klíčová slova: šroub, matice, podložka, závlačka, závit, spojovací závity, pohybové závity, stoupání, rozteč, vícechodý závit, utahovací moment, momentový klíč Motivace k lekci: Spojení pomocí šroubů je nejrozšířenějším způsobem spojení strojních součástí a současně je nejpropracovanější z hlediska normalizace. Bez znalosti správného používání šroubových spojů nelze navrhnout prakticky žádné zařízení. Z tohoto důvodu je důležité věnovat této části značnou pozornost. Výklad:
2.1 Základní druhy šroubových spojů Podle principu spojení 2 součástí pomocí rozlišujeme 3 základní druhy šroubových spojů: Obrázek 5 - Základní druhy šroubových spojů
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Základní druhy šroubových spojů:
21. ledna 2008
DWF INVENTOR Strana 8/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
a)
spoj šroubem s hlavou a maticí – používá se pro spojení slabších součástí. Obě spojované součásti 4 jsou provrtány otvorem s průměrem větším než je průměr šroubu. Šroub s hlavou 1 je prostrčen přes tento otvor, na vyčnívající konec může být nasazena podložka 3 a spoje je utažen maticí 2. Pro bezpečné spojení je nutné, aby část závitu šroubu po utažení vyčnívala nad matici, tzn. aby byl závit v matici plně využit. Z hlediska technického kreslení se šrouby, matice i podložky nekreslí v řezu (není-li k tomu zvláštní důvod). Dále je důležitá viditelnost hrany mezi spojovanými součástmi 4 v prostoru mezi otvorem a šroubem.
b)
spoj šroubem s hlavou – používá se v případech, že jedna ze součástí je silnější a spojení podle a) by vyžadovalo příliš dlouhý šroub. Slabší ze spojovaných součástí 2 je provrtána otvorem o větším průměru než je rozměr šroubu, silnější ze spojovaných součástí 2 má slepou díru, ve které je vyroben závit (z technologických důvodů nelze závit vyrobit až do dna díry, i tzv. závity do dna mají určitý výběh). Délka tohoto závitu musí být delší než je délka závitu té části šroubu 1, která zasahuje do slepé díry. Šroub 1 se skládá z hlavy (1a) a dříku (1b) se závitem (1c).
c)
spoj závrtným šroubem se používá v případě, že při montáži se obtížně centruje otvor pro šroub ve spojovaných součástech vůči sobě. Totiž v případech a) a b) je nutné nastavit otvory ve spojovaných součástech proti sobě, potom prostrčit těmito otvory šroub a utáhnout spoj. Především u těžkých součástí je taková montáž obtížná. Závrtný šroub 1, který nemá hlavu, se nejdříve našroubuje do otvoru se závitem (4), poté se na jeho vyčnívající část nasadí druhá součást 4 s průchozím otvorem, nasadí podložka 3 a utáhne matice 2. Do závitu v součásti se vždy šroubuje kratší závit na závrtném šroubu (je vyroben s přesahem, aby se při povolování spoje uvolnila pouze matice a ne šroub) a to celou svou délkou (včetně výběhu závitu). Závrtný šroub se do závitu v součásti montuje pomocí tzv. kontramatice – na vyčnívající závit se našroubují 2 matice a pomocí 2 klíčů se utáhnou proti sobě. Tím vznikne velké tření mezi závity těchto matic a šroubem a vznikne falešná hlava šroubu. Po našroubování závrtného šroubu do závitu se opět pomocí 2 klíčů matice povolí a vyšroubují. Typické použití je u velkých přírub
2.2 Druhy šroubů, matic a podložek V obr. 6 a 7 jsou zobrazeny některé z nejpoužívanějším druhů šroubů. Následný popis se týká pouze některých šroubů, které vyžadují důkladnější popis buďto z důvodu principu funkce nebo použití. •
lícovaný šroub vyžaduje přesně vyrobené otvory ve spojovaných součástech, neboť mezi dříkem šroubu a otvorem není žádná vůle.
•
odtlačovací šrouby se požívají při demontáži 2 součástí. V jedné ze součástí je vyrobena díra se závitem, druhá součást proti tomuto závitu žádný otvor nemá. Při našroubování odtlačovacího šroubu do tohoto závitu se čelo dříku šroubu opře do druhé součásti a obě součásti se od sebe vzdalují.
•
šroub s vnitřním šestihranem se běžně nazývá imbus
•
stavěcí šrouby se po zašroubování do závitu vyrobeném v jedné součásti svým čelem zaseknou v otvoru nebo rýze vyrobené v součásti druhé a tím je vymezena vzájemná poloha obou součástí. Typické použití je pojištění kliky ve dveřích.
21. ledna 2008
Strana 9/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje •
šrouby do plechu a závitořezné šrouby nevyžadují výrobu závitu ve spojovaných součástech. Šrouby jsou vyrobeny z poměrně tvrdého materiálu a při utahování si závit samy vyřežou. Obrázek 6 - Šrouby
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
a) - ČSN 02 1101 tvar A:
DWF INVENTOR
•
b) - ČSN 02 1101 tvar B:
DWF INVENTOR
•
c) - ČSN 02 1103:
DWF INVENTOR
•
d) - ČSN 02 1111:
DWF INVENTOR
•
e) - ČSN 02 1115:
DWF INVENTOR
• f) - ČSN 02 1116: 21. ledna 2008
DWF INVENTOR Strana 10/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje •
g) - ČSN 02 1143:
DWF INVENTOR
•
h) - ČSN 02 1122:
DWF INVENTOR
•
i) - ČSN 02 1131:
DWF INVENTOR
•
j) - ČSN 02 1146:
DWF INVENTOR
•
k) - ČSN 02 1151:
DWF INVENTOR
•
l) - ČSN 02 1155:
DWF INVENTOR Obrázek 7 - Zvláštní druhy šroubů
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
m) – zápustný šroub:
DWF INVENTOR
•
n) – ČSN 02 1165:
DWF INVENTOR
•
o) – ČSN 02 1167:
DWF INVENTOR
21. ledna 2008
Strana 11/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje •
p) – ČSN 02 1369:
DWF INVENTOR
•
q) – ČSN 02 1914:
DWF INVENTOR
•
r) – ČSN 02 1913:
DWF INVENTOR
•
s) – ČSN 02 1174 tvar A:
DWF INVENTOR
•
t) – ČSN 02 1174 tvar B:
DWF INVENTOR
•
u) – ČSN 02 1181:
DWF INVENTOR
•
v) – ČSN 02 1185:
DWF INVENTOR
•
x) – ČSN 02 1234:
DWF INVENTOR
•
y) – ČSN 02 1229:
DWF INVENTOR
Z matic uvedených na obr. 8 stojí za zmínku •
korunková matice má na svém obvodu 3 zářezy, které slouží pro závlačku protaženou otvorem v dříku šroubu – viz. pojištění šroubových spojů.
•
KM matice se používá v kombinaci s MB podložkou a pro utahování vyžaduje specielní klíč
21. ledna 2008
Strana 12/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 8 - Matice
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
a) – ČSN 02 1401:
DWF INVENTOR
•
b) – ČSN 02 1403:
DWF INVENTOR
•
c) – ČSN 02 1411:
DWF INVENTOR
•
d) – ČSN 02 1413:
DWF INVENTOR
•
e) – ČSN 02 1431:
DWF INVENTOR
•
f) – ČSN 02 1461:
DWF INVENTOR
•
g) – ČSN 02 1444:
DWF INVENTOR
•
h) – ČSN 02 1441:
DWF INVENTOR
•
j) – ČSN 02 1665:
DWF INVENTOR
21. ledna 2008
Strana 13/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Podložky mají 2 účely: •
buďto se používají na rozložení tlaku mezi maticí (příp. hlavou šroubu) a spojovanými součástmi a brání nebezpečí poškození povrchu materiálu při utahování
•
nebo slouží k pojištění šroubového spoje Obrázek 9 - Podložky
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
a) – ČSN 02 1702 tvar A:
DWF INVENTOR
•
b) – ČSN 02 1702 tvar B:
DWF INVENTOR
•
c) – ČSN 02 1740:
DWF INVENTOR
•
d) – ČSN 02 1745:
DWF INVENTOR
•
e) – ČSN 02 1751:
DWF INVENTOR
•
j) – ČSN 02 1753:
DWF INVENTOR
•
g) – ČSN 02 3640:
DWF INVENTOR
•
h) – ČSN 02 1781:
DWF INVENTOR
21. ledna 2008
Strana 14/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
2.3 Pojištění šroubových spojů Jak již bylo naznačeno v předchozí kapitole (v části Podložky), je v některých případech nutné šroubový spoj pojistit. Pojištění se používá především v případech, že během provozu dochází k otřesům spoje nebo spoj je dynamicky namáhán. Může totiž dojít k uvolnění závitu a tím k uvolnění celého spoje. Podle principu pojištění je dělíme na 3 skupiny: •
tvarové pojištění (obr. 10) – principem je zamezení odšroubování matice nějakým prvkem, který mechanicky brání pootočení matice vůči šroubu
a)
do dříku šroubu se po utažení matice vyvrtá napříč otvor, do kterého se vloží závlačka. Ta brání odšroubování matice
b)
obdoba principu z bodu a), ale aby se matice nemohla vůbec pohnout, je použita korunková matice, která má na svém obvodu 3 drážky. Po utažená se jednou z těchto drážek + otvorem v dříku opět protáhne závlačka. Drážky jsou 3 z důvodu snadnějšího ustavení matice při demontáži a opětné montáži spoje
c)
pro podložku s nosem je nutné do povrchu materiálu vyvrtat malou slepou díru, do které zapadne nos podložky. Po utažení matice se jedna část podložky těsně ohne kolem hrany matice a tím je zabráněno vzájemnému pohybu šroub – matice Obrázek 10 - Tvarová pojištění šroubových spojů
d)
podložka s jazýčkem pracuje shodně s principem podložky s nosem. Používá se u spojů umístěných poblíž okraje součásti. Nos jazýčku se při montáži může těsně ohnout kolem hrany součásti
e)
protažení hlav šroubů drátem otvory vyvrtanými v hlavách šroubů je také zabráněno jejich otáčením. Toto pojištění se spíše než u pevnostních požadavků používá tam, kde hrozí neoprávněné vniknutí do přístroje (např. tam, kde ještě běží záruční doba apod.)
f)
pomocí KM matice a MB podložky se většinou pojišťuje uchycení ložisek na hřídeli. Podložka MB má jeden výstupek dovnitř, který zapadne do drážky vyrobené na povrchu dříku šroubu (hřídele). Po dotažení KM matice (zvláštním klíčem) se jeden z výčnělků
21. ledna 2008
Strana 15/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje na vnějším obvodu matice ohne do drážky KM matice, která současně slouží pro utahování g)
do této skupiny pojištění také patří pojištění deformací hlavy šroubu vzhledem k ostatnímu materiálu
•
silové pojištění (obr. 11) – principem pojištění je zvětšení tření mezi závity šroubu a matice
a)
použití pružné podložky (tzv. pérovky) – při utahování matice se zmáčkne pružná podložka, která má v nezatíženém stavu tvar 1 závitu pružiny (šroubovice). Podložka se snaží vrátit do své původní polohy a tím tlačí na matici, což vyvolá zvětšený tlak mezi závity šroubu a matice
b)
pomocí dvou matic (tzv. kontramatky) – na dřík šroubu se nejdříve našroubuje přídržná matice 2 a potom nosná matice 1. POZOR: Aby se dosáhlo zvětšení tlaku v závitech, nestačí pouze utáhnout tento šroubový spoj, ale po jeho dotažení musí následovat utažení obou matic PROTI sobě pomocí 2 KLÍČŮ.
c)
dvoudílná matice – při utahování horní části matice (s kuželovým otvorem) se tato část dotahu na spodní (s kuželem). Díky rozřezání kužele v dolní části při utahování horní části dojde k deformaci kužele spodní části matice směrem na dřík šroubu. Tím se k sobě přimáčknou závity spodní části matice a dříku šroubu. Obrázek 11 - Silová pojištění šroubových spojů
d)
samopojistná matice má v sobě zalisovaný kroužek polyamidu. Mezi tímto kroužkem a závitem šroubu vzniká velké tření
•
pojištění materiálovým stykem (obr. 12) je sice nejjednodušší, ale díky pevnému připojení šroubu nebo matice ke spojovanému materiálu, příp. šroubu a matice navzájem svařováním, pájením, lepením nebo někdy i jen zakápnutím barvou se stává ze šroubového spoje spoj nerozebíratelný:
21. ledna 2008
Strana 16/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 12 - Materiálové pojištění šroubových spojů
2.4 Závity Základní součástí šroubového spoje je závit, který je tvořen profilem určitého tvaru, který je navinut kolem osy šroubu do šroubovice. Podle tvaru profilu a strmosti šroubovice rozdělujeme závity na 2 hlavní skupiny: 1)
spojovací závity mají jemnější profil (obvykle ve tvaru trojúhelníka) a méně strmou šroubovici. Podle názvu slouží ke spojení součástí
2)
pohybové závity mají větší průřez profilu závitu a strmější šroubovici. Slouží k převodu otáčivého pohybu na přímočarý
Nejpoužívanější závity jsou uvedeny v obr. 13: Obrázek 13 - Druhy závitů
21. ledna 2008
Strana 17/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Označování závitů: •
metrický závit je nejrozšířenějším závitem. M 12 x 1 – 1. číslo značí vnější průměr závitu; 2. číslo značí stoupání závitu, tj. vzdálenost rozteč profilu závitu. Stoupání se píše pouze v případě, že se jedná o jemnější stoupání než je obvyklé pro daný průměr závitu
•
Whithworthův závit je obdobný závitu metrickému, jen je rozdíl v úhlu profilu závitu a především v tom, že rozměry nejsou v mm, ale v palcích W 1/2" znamená závit s vnějším průměrem 1/2"
•
Trubkový závit má na rozdíl od předchozích závitů zaobleny všechny hrany profilu z důvodu utěsňování závitu (pokud by měl ostré hrany, mohlo by při utahování dojít k přeřezání těsnění – koudel, teflonová páska – a tím ke vzniku netěsností. G 1/2" - POZOR – číslo znamená světlost trubky, nikoliv průměr závitu. Velikost závitu je větší proti světlosti o tloušťku stěn potrubí
21. ledna 2008
Strana 18/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Podle smyslu stoupání šroubovice se rozeznává pravý a levý závit. běžný závit je pravý, tento se nijak neoznačuje. Pokud má být závit levý, je za označením závitu uvedeno – L. Obrázek 14 - Levý a pravý závit
Pro správné určení pravého a levého závitu slouží jednoduchá pomůcka – pokud při utahování šroubového spoje se šroub či matice otáčí ve směru hodinových ručiček, jedná se o závit pravý – obr. 14 b). Pokud se při utahování otáčí proti směru hodinových ručiček, jedná se o levý závit – obr. 14 a). Některé, především pohybové závity, mají velké stoupání a závit je tvořen několika samostatnými šroubovicemi.V tomto případě se jedná o vícechodý závit: Obrázek 15 - Tříchodý závit
2.5 Lícování závitů Protože u závitů se nejedná o rovnou, příp. válcovou plochu, ale o trajektorii profilu závitu po šroubovici, je určení přesnosti závitu o něco složitější (obr. 16) než u rovných ploch. Přesnost závitu je definována šíří tolerančního pole profilu závitu jak ve směru radiálním, tak i kolmém na profil závitu. 21. ledna 2008
Strana 19/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 16 - Toleranční pole závitu
Značka lícování závitu se obdobně jako u rovných nebo válcových ploch skládá ze dvou částí. Číslo vyjadřuje přesnost závitu (čím nižší, tím přesnější); písmenko polohu tolerančních polí (začátek abecedy – uložení s vůlí; konec abecedy – uložení s přesahem). Na rozdíl od označení běžných ploch jsou tyto symboly přehozeny: běžná válcová plocha
KR16 H8
závit
M16 – 8H
Velikost písmene značí (obdobně jako u jednoduchých ploch) znamená buďto vnější závit – šroub nebo vnitřní zaviti – matici. Příklad označování lícovaného závitu: M12 – 6H/4r Jedná se o šroubový spoj s přesahem o velikosti 12 mm, jehož matice má velikost tolerančního pole 6 a toto pole je umístěno přesně na nulové čáře (jmenovitém rozměru). Závit na šroubu je vyroben přesněji (velikost tolerančního pole 4) a tento závit je s přesahem (písmeno r). Nejběžnějším příkladem užívání lícování závitů jsou závrtné šrouby – část závitu, která se zašroubovává do materiálu (kratší) má závit vyroben s přesahem, aby se při povolování matice při demontáži samovolně nevyšrouboval z materiálu.
2.6 Silové poměry v závitech Běžné šroubové spoje (kromě lícovaných šroubů), které jsou v otvorech s vůlí, jsou při správné montáži namáhány na tah, i když zatěžující síla působí kolmo na osu šroubu. Spoj musí být totiž dotažen tak, že osová síla vyvolá v plochách mezi maticí, hlavou šroubu a materiálem a mezi spojovanými materiály tření, které je větší než přenášená síla. Protože součinitel smykového tření pro ocel je cca f=0,1, je osová síla, kterou je namáhán šroubový spoj, asi 10x větší než síla zatěžující. V obr. 17 je znázorněno působení hlavních sil na závit šroubu. Na obvodu středního průměru závitu d2 působí při utahování obvodová síla F1,i , která díky stoupání šroubovice Ψ utahuje šroubový spoj a tím vyvolává osovou sílu F0 .
21. ledna 2008
Strana 20/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 17 - Síly na šroubu
Pro šrouby (především spojovací) je důležitý pojem samosvornost. Závit šroubu lze nahradit po rozvinutí nakloněnou rovinou: Obrázek 18 - Rozvin závitu
Nakloněná rovina je trojúhelník, jehož jednou odvěsnou je obvod kružnice (střední průměr závitu d2 ), druhou odvěsnou je stoupání závitu. Pokud by byl úhel stoupání závitu Ψ příliš velký, pak po utažení šroubového spoje se osová síla rozkládá na složky a vodorovná složka by mohla být větší než je tření v závitech. Toto je nesamosvornost šroubu, která způsobí jeho samovolné povolení. Podrobněji jsou silové poměry na boku závitu zobrazeny v obr. 19: Obrázek 19 - Silové poměry na závitu
21. ledna 2008
Strana 21/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Popis symbolů použitých v obr. 19: •
FO – zatěžující síla působící v ose šroubu
•
F1,i – ideální obvodová síla na závitu, neuvažuje-li se se třením
•
F1 – skutečná síla na obvodu závitu při utahování se třením
•
F2 – skutečná síla na obvodu závitu při povolování se třením
•
FR – výsledná síla
•
Ft – třecí síla
•
d2 – střední průměr závitu
•
s – stoupání závitu
•
φ – třecí úhel (f = tg φ)
•
γ – úhel stoupání závitu
a)
Pokud se neuvažuje tření, je velikost síly potřebné k překonání osové síly působící na závit: F1,i = FO . tg Ψ, kde tg Ψ = s / (π . d2 ) (viz. obr.18)
b)
Při utahování za reálných podmínek, kdy mezi závity působí tření proti směru pohybu, se utahovací síla zvětší o překonání tohoto tření: F1 = FO . tg (φ + Ψ )
c)
Platí-li podmínka φ < Ψ (jedná se buďto o velmi dobře mazaný závit nebo velký úhel Ψ), pak i při povolování se musí působit silou F2 proti směru povolování, aby se závity samovolně nezačaly povolovat: F2 = FO . tg (Ψ - φ )
21. ledna 2008
Strana 22/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje d)
Bude-li třecí úhel větší než úhel stoupání závitu (φ > Ψ ), bude nutno při povolování závitu působit silou F2 ve směru povolování (síla F2 je záporná): F2 = FO . tg (Ψ - φ ) Pokud jsou v závitech tyto poměry, jedná se o samosvornost šroubového spoje (tzn., že se sám nepovolí vlivem osového zatížení).
2.7 Příklad Zadání: Určete, zda metrický závit M12 je samosvorný. Jedná se o ocelový nemazaný šroubový spoj, kde součinitel tření f = 0,1. Výpočet: Ze Strojnických tabulek se určí potřebné rozměry závitu: d2 = 10,863 mm; s = 1,75 mm Úhel stoupání závitu: tg Ψ = s / (π . d2 ) = 1,75 / (π . 10,863 ) = 0,0513 Ψ = 2°56´8´´ Ze součinitele tření se určí třecí úhel: tg φ = f = 0,1 φ = 5°42´38´´ Protože φ >> Ψ, je závit bezpečně samosvorný.
2.8 Montáž a demontáž šroubových spojů Při utahování šroubových spojů je nutné vyvolat nejen obvodovou sílu F1 nutnou k překonání osového zatížení šroubu FO , ale i třecí síly vznikající při utahování mezi maticí a povrchem materiálu (podložky), příp. mezi hlavou šroubu a materiálem (podložkou). Pro běžné metrické závity lze velikost utahovacího momentu určit přibližně dle vztahu MO ≈ 0,18 . FO . d Tento utahovací moment lze vyvolat 3 způsoby: 1)
Pouze ručně bez dalšího pomocného nářadí. Hlava šroubu nebo matice má tvar přizpůsobený pro tento způsob montáže. Typickými představiteli šroubů nebo matic určených pro ruční montáž a demontáž jsou křídlaté šrouby (matice) nebo šrouby s rýhovanou hlavou. Používají se tam, kde je předpokládáno časté povolování a utahování šroubového spoje a kde není vyžadován velký utahovací moment.
1)
Utahování pomocí šroubováku. Šroubovák může být buďto plochý nebo křížový (menší nebezpečí poranění od hran v hlavě šroubu. Tímto způsobem se dosáhne většího utahovacího momentu i v méně přístupných místech. Při častějším povolování a utahování hrozí nebezpečí poškození drážek v hlavě šroubu.
2)
Utahování pomocí klíče.
21. ledna 2008
Strana 23/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 20 - Druhy klíčů
Tímto způsobem lze vyvodit při utahování největší utahovací moment . Matice a hlavy šroubů pro utahování pomocí klíčů mají buďto tvar šesti- nebo čtyřhranu, příp. je šestihranný tvar vytvořen jako dutý tvar uvnitř hlavy nebo se používají speciální tvary (např. zářezy u KM matice). V obr. 20 jsou uvedeny nejběžnější druhy klíčů: a)
Otevřený oboustranný klíč. Vyosení drážky proti ose rukojeti umožňuje utahování i v meších montážních prostorách. Klíč má na svých koncích různé velikosti z důvodu úspory materiálu.
b)
Otevřený klíč jednostranný má lepší manipulovatelnost, avšak lze jej použít pouze pro jednu velikost šroubu.
c)
Otevřený klíč s krátkou rukojetí se používá ve velmi malých montážních prostorách. Na rukojeť lze nastrčit nástavec, který může být vysunut zešikma a který prodlužuje páku pro utahování.
d)
Očkový klíč umožňuje velmi malé změny polohy klíče vůči matici při utahování. Tímto klíčem lze utáhnout spoj i ve velmi stísněných podmínkách. Zmenšuje se ovšem styčná plocha mezi klíčem a plochami matice a při velkých utahovacích
21. ledna 2008
Strana 24/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje momentech hrozí nebezpečí poškození hran matice (hlavy šroubu). e)
Očkový klíč vyhnutý zvyšuje manipulovatelnost klíče vzhledem k povrchu materiálu
f)
Očkoplochý klíč je kombinací klasického otevřeného klíče na jedné straně rukojeti s očkovým klíčem na straně druhé.
g)
Jednostranný trubkový klíč vlastně prodlužuje šestihranný tvar do míst, kde je více prostoru pro utahování. Rameno klíče se vytvoří nasunutím ocelové tyčky do otvorů v trubce
h)
Tento jednostranný trubkový klíč má výkyvnou rukojeť pro utahování.
i)
Oboustranný trubkový klíč má na svých koncích různé velikosti šestihranných trubek.
j)
Nástrčný klíč má stejné použití jako klíč trubkový, ale díky plné rukojeti lze při utahování použít větší sílu bez nebezpečí deformace klíče.
k)
Nástrčný klíč kombinuje vnitřní šestihran na jedné straně s vnějším na straně druhé.
l)
Nástrčný klíč na čtyřhrany.
m)
Šestihranný zástrčný klíč se používá pro utahování šroubů s vnitřním šestihranem (imbus šrouby).
n)
Čtyřhranný zástrčný klíč má stejné použití jako předcházející pro jiný tvar otvoru v hlavě šroubu.
o)
Zavřený klíč na čtyřhrany se používá např. pro uzamykání vlakových dveří, které smí ovládat pouze průvodčí.
p)
Zavřený klíč na šestihrany.
Pokud je nutné zabezpečit utažení šroubového spoje přesně definovanou silou (momentem), používají se momentové klíče: a)
torzní momentový klíč: Obrázek 21 - Torzní momentový klíč
Tento klíč (obr. 21) je tvořen dutou trubkou, na které je jednak stupnice utahovacího momentu a jednak tyčka sloužící k utahování. Středem této duté trubky vede tyčka na jedné straně (u otvoru pro nasazení na hlavu šroubu) pevně spojená s trubkou tělesa klíče, na druhé straně je na tyčce upevněn ukazatel. Při utahování je trubka namáhána kroutícím momentem a mírně se deformuje (zkrucuje). Tyčka s ukazatelem namáhána 21. ledna 2008
Strana 25/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje není a proto dochází ke vzájemnému posunutí stupnice vzhledem k ukazateli. Čím je utahovací moment větší, tím je i větší posun stupnice – ukazatel. b)
ohybový momentový klíč: Obrázek 22 - Ohybový momentový klíč
Princip (obr. 22) je obdobný jako u torzního momentového klíče. Při utahování se rukojeť klíče, na které je i stupnice, deformuje (ohýbá), zatímco tyčka ukazatele není namáhána. Dochází tedy opět k jejich vzájemnému posunutí, které je úměrné velikosti utahovacího momentu. c)
jednorázový momentový klíč – jedná se o tvar otevřeného klíče (obr. 20 a)), který má prostor pro hlavu šroubu (nebo matici) zeslaben přesně definovaným rozříznutím. Klíč je vyroben z pružného materiálu (kvalitní ocel, pro menší utahovací momenty plast). V okamžiku, kdy při utahování překročí síla určitou mez, boky klíče se díky rozříznutí rozevřou a klíč na šestihranu hlavy šroubu se „protočí“. Výhodou tohoto typu momentového klíče je jeho jednoduchost a cena, nevýhodou je, že velikost utahovacího momentu je přesně dána a nelze ji měnit.
2.9 Pevnostní výpočet šroubů Pokud je šroub zatížen osovou silou, pak tato síla přímo namáhá dřík šroubu a závit. Pokud síla působí kolmo k ose šroubu, pak je situace složitější. Jak již bylo dříve uvedeno, šroub je uložen v otvoru s vůlí (pokud se nejedná o lícovaný šroub). Pro správnou funkci šroubového spoje musí být tento spoj utažen tak, aby tření mezi spojovaným materiálem (a mezi hlavou šroubů, příp. maticí nebo podložkou a spojovaným materiálem) bylo větší než síla působící mezi součástmi. V obou případech se tedy kontroluje šroubový spoj na osovou sílu. Pro zjednodušení se bude uvažovat pouze zatěžující síla a do výpočtu se nezahrne síla způsobená utahováním šroubového spoje (v některých případech však bývá tato síla větší než vlastní zatěžující síla). Typickým příkladem zatížení šroubového spoje osovou silou je např. zatížení háku jeřábu znázorněné na obr. 23. Obrázek 23 - Uchycení jeřábového háku
21. ledna 2008
Strana 26/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Uchycení jeřábového háku:
DWF INVENTOR
Pro výpočet budou potřebné následující údaje: •
d – vnější průměr závitu
•
d2 – střední průměr závitu
•
d3 – malý průměr závitu
•
P – stoupání závitu
Dřík šroubu je namáhán na tah: σ = F / As ≤ σDt kde As je nosná plocha závitu, která je uvedena v normách závitů. Pro přibližný výpočet lze za nosnou plochu považovat plochu dříku šroubu, která není zeslabena závitem: As = π . d32 / 4 Kromě dříku šroubu jsou namáhány také závity na otlačení: p = F / S ≤ pD kde plocha S je plocha, ve které se dotýkají závity šroubu a matice. Je to plocha šroubovice. Protože tlak působí ve směru síly, lze brát profil závitu pro výpočet na otlačení jako mezikruží. Protože mezikruží je poměrně tenké, lze jej nahradit obdélníkem „smotaným“ do kruhu podél středního průměru závitu. Protože ve spoji je několik závitových ploch nad sebou, je ve výpočtu uveden počet těchto ploch n: S = π . d2 . H . z kde H je nosná výška závitu H = (d - d3 ) / 2 a počet spoluzabírajících závitů je z=m/P 21. ledna 2008
Strana 27/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Lícovaný šroub (obr. 24) je namáhán na střih (v lícované části) a na otlačení zalícované části šroubu: Obrázek 24 - Namáhání lícovaného šroubu
Kontrola na střih: τs = F / S´ ≤ τDs Plocha S´ je zobrazena v obr. 24 červeně: S´ = π . ds2 / 4 V tabulkách lícovaných šroubů bývá někdy průměr ds označován jako d2 , což je zavádějící, neboť stejným symbolem je označován střední průměr závit. Po dosazení: τs = 4 . F / π . ds2 ≤ τDs Dále je dřík šroubu a matice namáhán na otlačení a to v kratší stykové délce (je-li stejný materiál): p = F / s ds ≤ pD Velikost dovolených napětí se určí z norem nebo tabulek.
2.10Příklad Obrázek 25 - Šroubové uchycení víka válce
21. ledna 2008
Strana 28/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Šroubové uchycení víka válce:
DWF INVENTOR
Zadání: Víko válce o vnitřním průměru 200 mm je uchyceno pomocí 8 závrtných šroubů M12. Má se zkontrolovat pevnost tohoto spoje, jestliže σDt = 320 MPa, pD = 120 MPa. Uvnitř válce je přetlak p = 3,5 MPa. Pro zjednodušení se nebude uvažovat zeslabení nosného průřezu matice zářezy pro závlačku. Řešení: Na víko působí síla F: F = p . Svíka = p . π . dválce2 / 4 = 3,5 . π . 2002 / 4 = 109 956 N = 110 kN Na jeden šroub působí síla: F1 = F / 8 = 110 / 8 = 13,7 kN V tabulkách se vyhledají potřebné rozměry: •
nosná plocha šroubu As = 84,3 mm 2
•
střední průměr závitu d2 = 10,863 mm
•
malý průměr závitu d3 = 9,853 mm
•
stoupání P = 1,75 mm
•
výška matice m = 10 mm
Kontrola dříku šroubu na tah: σ = F / As ≤ σDt σ = 13 700 / 84,3 ≤ 320 MPa σ = 162,5 MPa < 320 MPa Dřík šroubu vyhoví na tah. Kontrola závitu na otlačení: p = F / Szávitu ≤ pD p = F / π . d2 . H . z ≤ pD 21. ledna 2008
Strana 29/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje p = F . P / π . d2 . H . m ≤ pD p = 2 . F . P / π . d2 . (d - d3 ) . m ≤ pD p = 2 . 13 700 . 1,75 / π . 10,863 . (12 – 9,853 ) . 10 ≤ 120 MPa p = 47 950 / 732,7 ≤ 120 MPa p = 65,4 MPa < 120 MPa Závity vyhoví i na otlačení.
2.11Příklad Zadání: Na obr. 26 je zobrazena kotoučová spojka, jejíž poloviny jsou spojeny 10ti lícovanými šrouby M16x35. Spojka má přenášet maximální kroutící moment Mmax = 13 kN.m. Má se provést kontrola spojovacích šroubů, jestliže jsou vyrobeny z materiálu, jehož dovolené napětí ve střihu je τ Ds = 320 MPa, dovolený tlak mezi šroubem a litinovým nábojem je p s = 30 MPa. Obrázek 26 - Kotoučová spojka
Řešení: Při použití lícovaných šroubů podle obr. 26 jsou jejich závity namáhány pouze utahovacím momentem a případnou axiální silou. Hlavní namáhání je od kroutícího momentu a to na zesílený dřík lícovaného šroubu. Protože tento dřík je uložen bez vůle, jedná se o tvarový styk a šroub je namáhán na smyk a na otlačení: a)
Namáhání na smyk: τ s = F / S ≤ τ Ds Obvodová síla se vypočte z kroutícího momentu, přičemž se uvažuje jeho rovnoměrné rozložení na všechny šrouby (i = 10): Mk = F . R Mmax = i . F . Ds / 2
21. ledna 2008
Strana 30/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje F = 2 . Mmax / i . Ds Před dosazením číselných hodnot je nutné převést všechny veličiny na stejné jednotky. Protože napětí bude v MPa, budou hodnoty v N a mm. F = 2 . 13 000 000 / 10 . 270 = 9 630 N Nosná plocha zesíleného dříku šroubu (z normy šroubu d2 = 17 mm): S = π . d22 / 4 = π . 172 / 4 = 227 mm2 Nyní lze dosadit do pevnostní kontroly: τ s = F / S ≤ τ Ds τ s = 9 630 / 227 ≤ 320 MPa τ s = 42 MPa < 320 MPa Dřík šroubu na smyk vyhovuje. b)
Namáhání na otlačení: Tlak mezi šroubem a nábojem působí ve směru obvodové síly. Protože tlak se počítá jako podíly síly působící kolmo na plochu a plochy, nelze do výpočtu dosadit skutečnou stykovou plochu (plášť válce), ale její průmět do směru působící síly, čili obdélník: p = F / S´ ≤ p D p = F / (d2 . s) ≤ p D p = 9 630 / (17 . 22) ≤ 30 MPa p = 25,7 MPa < 320 MPa Dřík šroubu vyhovuje na otlačení.
2.12Autotest 1)
2)
3)
Spojení součástí pomocí kolíků patří do skupiny spojů se stykem •
silovým
•
tvarovým
•
materiálovým
Svařování patří do skupiny spojů se stykem •
silovým
•
tvarovým
•
materiálovým
Spojení pomocí šroubových spojů (ne s lícovaným šroubem) patří do skupiny spojů s kombinovaným stykem •
silovým a tvarovým
21. ledna 2008
Strana 31/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
•
silovým a materiálovým
•
tvarovým a materiálovým
Závrtný šroub se pomocí kontramatice montuje do závitu, který je vyroben v součásti •
kratším závitem na závrtném šroubu
•
delším závitem na závrtném šroubu
•
libovolným koncem závrtného šroubu
Šroub s vnitřním šestihranem se běžně nazývá •
odtlačovací
•
stavěcí
•
imbus
Korunková matice se pojišťuje pomocí •
závlačky
•
pružné podložky
•
vějířové podložky
Jsou k dispozici 2 součásti. Na jedné je závit W 1/4´´, na druhé G1/4´´. •
Součást se závitem G1/4´´ je větší než součást se závitem W1/4´´
•
Součást se závitem W1/4´´ je větší než součást se závitem G1/4´´
•
Obě součásti jsou stejně velké
Závity mají obvykle stoupání •
pravé. Pokud je levé, označuje se písmenem L.
•
levé. Pokud je pravé, označuje se písmenem P.
•
pravé i levé - jejich výskyt je zhruba stejný. Pravé se označuje P, levé L.
Pojem samosvornost znamená •
speciální pružnou matici, která při utažení sevře závity šroubu a spoj je pojištěn proti uvolnění
•
situaci, kdy při utahování působí třecí síla proti utahovací síle
•
situaci, kdy při povolování je nutné působit silou proti třecí síle. Utažený spoj se díky třecí síle sám nepovolí.
Šroub s šestihrannou hlavou se utahuje •
klíčem
•
šroubovákem
•
rukou bez dalšího nářadí
Křídlatý šroub se utahuje
• klíčem 21. ledna 2008
Strana 32/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
12)
•
šroubovákem
•
rukou bez dalšího nářadí
U klasického šroubového spoje (nejedná se o lícovaný šroub) se pevnostně kontroluje •
dřík šroubu na střih a závit na otlačení
•
dřík šroubu na střih a na tah
•
dřík šroubu na tah a závit na otlačení
21. ledna 2008
Strana 33/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3. Kolíkové a čepové spoje Popis lekce: V lekci je popsán princip spojení součástí pomocí kolíku nebo čepu. Je vysvětlen rozdíl mezi kolíkem a čepem. Jsou uvedeny typické ukázky využití kolíků a čepů ke spojení součástí. Na závěr je proveden výpočet kolíků a čepů na střih a na otlačení Délka lekce: 180 minut Klíčová slova: kolík, čep, válcový kolík, kuželový kolík, pružný kolík, rýhovaný kolík, hřeb, spárový kolík,hladký čep, čep s hlavou Motivace k lekci: Spojení součástí pomocí kolíku nebo čepu patří k nejstarším způsobům spojení součástí. Pravěký člověk, který si vyrobil kamennou sekyrku tím, že do rozštípnutého klacku vložil ostrý kámen, využil základní princip kolíkového spoje - vložení jedné součástí do otvoru součásti druhé. Výklad:
3.1 Kolíkové spoje Jedná se o jeden z nejjednodušších způsobů spojení součástí pomocí tvarového styku. Kolík má tvar válcového nebo mírně kuželovitého tělesa a je vložen do otvorů ve spojovaných součástech přesně vyrobených podle rozměru kolíku. V obr. 27 jsou uvedeny základní typy kolíkových spojů: •
válcový kolíkmůže mít jednu stranu kuželově upravenu pro snadnější montáž, případně mohou mít konce kolíku úpravu pro roznýtování – v tomto případě se kolík blíží spíše k nýtům.
•
kuželový kolík má velmi mírnou kuželovitost (1:50). Po naražení do kuželově přesně vyrobených otvorů je tento kolík samosvorný – nemůže vypadnout z otvorů bez působení vnější demontážní síly. Nevýhodou je náročná výroba přesných kuželových otvorů
•
pružný kolík má v řezu tvar podobný písmenu C. Při montáži se mírně zmáčkne, poté vloží do otvorů a uvolní. Pružnost materiálu jej vrátí do původní polohy. Nevyžaduje tak přesnou výrobu a současně díky vysokému tření je tento kolík samosvorný. Nevýhodou je menší pevnost.
•
rýhovaný kolík spojuje výhodu jednodušší výroby válcového otvoru proti otvoru kuželovému se samosvorností tohoto typu kolíku. Rýhy vytvořené na konci kolíku se „zaryjí“ do materiálu spojovaných součástí a tímto jsou tam pojištěny proti vypadnutí. 21. ledna 2008 Strana 34/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Nevýhodou je poškození okrajů materiálu, takže rýhovaná kolík nelze použít v případě časté demontáže zařízení. •
hřebyjsou zvláštním typem kolíků, který může mít na svém povrchu tvar závitu s poměrně velkým stoupáním. Zaražením hřebu do otvoru o něco menším než je průměr hřebu dojde k elastické deformaci materiálu. Toto vypružení vyvolá tření bránící případnému vypadnutí hřebu z otvoru. Obrázek 27 - Rozdělení kolíků
Typické použití kolíkových spojů je na následujícím obr.: 21. ledna 2008
Strana 35/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 28 - Použití kolíkového spojení
•
spojení 2 součástí buďto příčným (obr. 28a)) nebo podélným – spárovým kolíkem (obr. 28 b) a obr. 29). Spárový kolík sice méně naruší spojované součásti a má větší stykovou plochu, ale je zde obtížnější výroba otvoru na stykové hraně součástí (zvláště, jsou-li součásti z různých materiálů) a obtížné nastavení obou polovin otvoru proti sobě při demontáži a následné montáži.
•
přesné vymezení polohy 2 součástí. Vlastní sílu přenáší šroubové spoje, kolíky slouží pouze k přesnému určení polohy součástí vůči sobě.
•
u pojistné spojky slouží kolík jako spojovací a současně pojišťovací člen. Při překročení určitého kroutícího momentu se kolík přestřihne a spojka se rozpojí. Cena kolíku je
21. ledna 2008
Strana 36/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje velmi nízká, proto je jeho výměna výhodná i ekonomicky. Obrázek 29 - Spárový kolík
3.2 Čepové spoje Na první pohled vypadá čepový spoj stejně jak spoj kolíkový. Princip spojení je shodný s kolíkem, ale je zde jeden podstatný rozdíl. Zatímco kolíky slouží pouze ke spojení součástí, čepové spoje umožňují vzájemný pohyb těchto součástí. Čep je tedy alespoň v jedné součásti uložen s vůlí. Protože uložení čepu je hybné, musí být čepy pojištěny proti axiálnímu pohybu, tedy proti vypadnutí ze součásti. Obrázek 30 - Rozdělení čepů
21. ledna 2008
Strana 37/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Hladké čepy jsou pojištěny buďto příložkami našroubovanými na součástech nebo jednodušším způsobem – pomocí závlaček a podložek. Čepy s hlavou mají také buďto příložky nebo závlačku s podložkou, ale mohou mít také závitový konec. Tento čep se velmi podobá lícovanému šroubu. Kromě čepů uvedených na obr. 30 může mít čep také drážky po obvodu, které slouží pro pružné pojistné kroužky. Konkrétní ukázky pojištění čepů jsou uvedeny na obr. 31. V místech, kde dochází ke vzájemnému pohybu čepu a součásti, je nezbytné důkladné mazání. Obrázek 31 - Pojištění čepů
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Pojištění čepů - a):
DWF INVENTOR
•
Pojištění čepů - b):
DWF INVENTOR
•
Pojištění čepů - c):
DWF INVENTOR
•
Pojištění čepů - d):
DWF INVENTOR
3.3 Výpočet kolíků a čepů Protože princip spojení kolíky a čepy je stejný, je shodný i jejich pevnostní výpočet. Kolíky a čepy jsou namáhány na smyk a na otlačení ve stykových plochách. 21. ledna 2008
Strana 38/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 32 - Jednostřižný kolík
Při uložení kolíku dle obr. 32 jsou kontrolní pevnostní výpočty následující: Střih τ s = F / S ≤ τ Ds τ s = 4 . F / (π . d12 )≤ τ Ds Otlačení p1 = F / S1 ≤ p D1 p1 = F / (d1 . s1 ) ≤ p D1 p2 = F / S2 ≤ p D2 p2 = F / (d1 . s2 ) ≤ p D2 Do výpočtu stykové plochy na otlačení se bere nikoliv skutečná styková plocha (plášť válce), ale její průmět do směru působící síly – obdélník d . s. V případě, že obě desky jsou ze stejného materiálu (p D1 = p D2), stačí pouze jeden výpočet na otlačení: p = F / Smin ≤ p D p = F / (d . smin )≤ p D Často (zvláště u čepů) bývá uložení provedeno podle obr. 33: Obrázek 33 - Dvojstřižný kolík
21. ledna 2008
Strana 39/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Na střih jsou namáhány 2 průřezy, napětí je tedy poloviční: τ s = F / 2 . S ≤ τ Ds τ s = 2 . F / (π . d2 ) ≤ τ Ds Otlačení – tlak p1 se vypočítá stejně jako u jednostřižného kolíku, tlak p2 (vnější součást) se rozkládá na oba konce součásti: p1 = F / S1 ≤ p D1 p1 = F / (d . D) ≤ p D1 p2 = F / S2 ≤ p D2 p2 = F / [d . (D1 -D]≤ p D2
3.4 Autotest 13)
14)
15)
16)
17)
Které tvrzení je pravdivé? •
Kolík na rozdíl od čepu umožňuje vzájemný pohyb (rotaci) spojovaných součástí
•
Čep na rozdíl od kolíku umožňuje vzájemný pohyb (rotaci) spojovaných součástí
•
Čep na rozdíl od kolíku umožňuje vzájemný pohyb (posun) spojovaných součástí
Největší výhodou kuželového kolíku je •
samosvornost
•
přesnost
•
nízká cena
Pružný kolík •
vyžaduje svrtávání děr ve spojovaných součástech
•
nevyžaduje svrtávání děr ve spojovaných součástech
•
vyžaduje svrtávání, vyhrubování a vystružení děr ve spojovaných součástech
Jsou-li v čepu příčné díry, tyto díry slouží •
pro demontáž čepu z otvoru
•
jako odlehčení
•
pro závlačku
Kolíky a čepy se pevnostně kontrolují •
na střih a otlačení
•
na tah a otlačení
•
na střih a tah
21. ledna 2008
Strana 40/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
4. Spoje hřídele s nábojem Popis lekce: Lekce se zabývá způsoby uchycení součástí na hřídel. Různé druhy spojení jsou členěny podle vzájemného styku součástí. Kromě vysvětlení principu spojení a jeho praktického využití je část lekce věnována pevnostní kontrole nejužívanějšího druhu spojení náboje s hřídelí - perům. Délka lekce: 270 minut Klíčová slova: pero, klín, drážkový spoj, svěrný spoj, tlakový spoj Motivace k lekci: Protože hřídele patří mezi nejrozšířenější strojírenské součásti, je znalost upevnění součástí na hřídel jednou ze základních znalostí strojaře. Především princip spojení hřídele s nábojem pomocí pera se vyskytuje téměř ve všech strojírenských výrobcích. Výklad:
4.1 Rozdělení spojů hřídele s nábojem Spojení hřídele s nábojem lze rozdělit do 2 skupin – spojení s tvarovým stykem a spojení se silovým stykem. Někdy se používá i spojení s materiálovým stykem, ale toto je z důvodu nerozebíratelnosti takového spoje méně běžné. V následujících obrázcích jsou stručně popsány nejběžnější druhy spojení náboj-hřídel s tím, že některé druhy spojení jsou podrobněji popsány v dalších kapitolách.
4.1.1. Spojení s tvarovým a kombinovaným stykem Toto spojení využívá vzájemného dotyku spojovací a spojovaných součástí. Kroutící moment se mění na obvodovou sílu a pomocí vzájemného tlaku mezi spojovací a spojovanými součástmi. U kombinovaného styku (spárový kuželový kolík a klínové spoje) dochází k přenosu části kroutícího momentu také pomocí tření. Z důvodu bezpečnosti se u těchto spojů provádí výpočty, jako by se jednalo o čistý tvarový styk. Proto jsou spárové kolíky a klíny přiřazeny k ostatním typům spojení hřídel – náboj pomocí tvarového styku.
21. ledna 2008
Strana 41/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 34 - Spojení náboj-hřídel pomocí tvarového a kombinovaného styku
a)
Příčný kolík. Jedná se o jedno s nejjednodušších způsobů spojení, avšak z důvodu značného zeslabení hřídele se příliš často nepoužívá
b)
Pero těsné je nejrozšířenějším způsobem spojení hřídele s nábojem. Při vysoké pevnosti spoje dochází k minimálnímu zeslabení hřídele
c)
Pero výměnné má stejný princip jako těsné pero, ale používá se tam, kde dochází k axiálnímu pohybu náboje po hřídeli
d)
Pero kotoučové má jednodušší výrobu drážky v hřídeli, ale hřídel je touto drážkou více zeslabena
e)
Rovnoboké drážkování se používá pro přenos velkých kroutících momentů
f)
Detail rovnobokého drážkování, které je středěno na vnitřní průměr spojovaných součástí. Vnější průměr je uložen s vůlí, boky drážek na sebe doléhají. Z toho vyplývá náročnost na přesnost výroby.
g)
Detail rovnobokého drážkování, které je středěno pouze na boky drážek. Oba průměry jsou uloženy s vůlí; spojení je méně náročné na přesnost výroby než předchozí typ.
h)
Jemné drážkování se používá pro přenos menších kroutících momentů. Výhodou je to, že výroba nemusí být tak přesná a náboj lze prakticky libovolně pootočit vzhledem ke hřídeli.
i)
Evolventní drážkování má rovnoměrnější přenos kroutícího momentu než rovnoboké drážkování.
j)
Stejně jako rovnoboké drážkování může být evolventní drážkování středěno na vnější průměr
k)
nebo na boky drážek.
21. ledna 2008
Strana 42/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje l)
Poměrně velké kroutící momenty je schopen přenést trojboký profil, který je však výrobně značně náročný (zvláště otvor).
m)
Méně rozšířené je používání čtyřbokého profilu. Princip je shodný s trojbokým profilem.
n)
Podélný kolík přenáší poměrně velké kroutící momenty při malém zeslabení profilu hřídele a náboje. Takto použitý kolík se někdy nazývá spárový kolík. Z důvodu axiálního pojištění se často používá kuželový kolík, který je samosvorný. Nevýhodou je obtížnější výroba otvorů do dvou součástí současně, zvláště v případech, kdy jsou hřídel a náboj vyrobeny z rozdílných materiálů. Dále je obtížné slícování otvoru při demontáži a následné montáži.
o)
Vsazený klínpracuje na stejném principu jako pero. Jeho výhodou je samosvornost, tzn. že jej není nutné pojišťovat proti axiálnímu posunu.
p)
Klín s nosem částečně vyčnívá ze spojovaných součástí, takže je snadná jeho demontáž vysunutím za „nos“.
q)
Aby se zamezilo vzniku exentricity (a následného házení při velkých otáčkách) z důvodu naražení klín mezi hřídel a náboj, používají se 2 klíny proti sobě tak, že klínové drážky nejsou umístěny radiálně, ale po obvodu. Toto spojení má název tangenciální klín.
4.1.2 Spojení se silovým stykem Obrázek 35 – Spojení náboj-hřídel pomocí silového styku
U tohoto typu spojení se kroutící moment přenáší pomocí třecích sil ve vzájemně doléhajících 21. ledna 2008
Strana 43/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje plochách mezi nábojem a hřídelí. Aby tyto třecí síly vznikly, musí být na sebe náboj s hřídelí dostatečně přitlačeny. V obr. 35 je několik typických ukázek spojení náboje s hřídelí pomocí silového styku: a)
Svěrný spoj se šroubem s rozříznutým nábojem – utažením šroubu dochází k přitlačení náboje na hřídel. Nevýhodou je nerovnoměrné přitlačování těchto ploch, výhodou poměrně jednoduchá konstrukce spojení.
b)
Svěrný spoj se šroubem s děleným nábojem je založen na stejném principu jako rozříznutý náboj, ale náboj tvoří dvě samostatné poloviny. Při spojení je jednak jednodušší montáž (hřídel není nutno nasouvat do náboje), jednak rovnoměrnější přitlačování. Nevýhodou je nutnost použití více šroubů a větší velikost celého spoje.
c)
Svěrný spoj s kuželem – třecí síla vzniká nasouváním kuželové díry v náboji na kuželovou hřídel pomocí závitového spoje vytvořeného na konci hřídele. Tímto spojením lze dosáhnout velkých přítlačných sil, avšak je zde náročnější výroba přesných kuželových ploch.
d)
Pružné upínací kroužky jsou tvořeny dvojicemi kroužků s vnitřní a vnější kuželovou plochou, které se na sebe vzájemně nasunují (např. pomocí závitového spoje). Protože kroužky jsou tenké, vnitřní kroužek se snaží při vzájemném nasouvání zmenšit svůj průměr a vnější kroužek naopak zvětšit. Tím vznikají třecí síly v těchto navzájem dosedajících plochách: •
hřídel – vnitřní válcová plocha vnitřního kroužku
•
vnější kuželová plocha vnitřního kroužku – vnitřní kuželová plocha vnějšího kroužku
•
vnější válcová plocha vnějšího kroužku – náboj
Při malé kuželovitosti dochází k velkým třecím silám, ale z důvodu 3 kluzných ploch je zde větší nebezpečí „proklouznutí“ spoje. e)
Rozpěrný spoj upínacím pouzdrem je založen na stejném principu jako pružné upínací kroužky, ale vzájemné přitlačení stykových ploch je vyvoláno vzájemným přiblížením se 2 kuželových pouzder
f)
Rozpěrný spoj s hvězdicovými podložkami. Podložky z poměrně tenkého plechu jsou vzpříčeny v mezeře mezi nábojem a hřídelí a tím vzniká tření náboj-podložka-hřídel.
g)
Tlakový spoj je nejjednodušším způsobem silového spojení hřídele s nábojem. Vnější součást (náboj) je vyrobena o něco menší než součást vnitřní (hřídel) a součásti jsou do sebe navzájem nalisovány. Nevýhodou tohoto způsobu spojení je trvalá deformace spojovaných ploch při častějších demontážích , příp. nerozebíratelnost spojení při velkých přesazích mezi hřídelí a nábojem.
4.2 Perové spoje Nejčastějším způsobem spojení hřídele s nábojem je použití pera. Jedná se o hranolovitou součást, jejíž konce jsou z důvodu výroby drážky v hřídeli zaobleny. Pero je vsazeno z ½ své výšky v uzavřené drážce na hřídeli a druhá ½ výšky pera je v drážce v náboji, která je z výrobních a montážních důvodů provedena přes celou délku náboje. Pera i rozměry drážek jsou normalizovány. Protože hřídel má rotační tvar, nemají drážky přesně stejnou hloubku 21. ledna 2008
Strana 44/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje v hřídeli (t) a v náboji (t 1 ). Obrázek 36 - Přenos kroutícího momentu pomocí pera
Na šířku (b) je pero uloženo v drážkách přesně, na výšku (h) a délku (l) je uloženo s vůlí:
Z kroutícího momentu vzniká na obvodu uložení pera d síla: Mk = F . d/2 F = 2 . Mk / d Boky pera a drážky jsou namáhány na otlačení. Pokud je hřídel i náboj ze stejného nebo pevnostně podobného materiálu, lze kontrolovat pouze plochu s menší hloubkou drážky (t 1 ). Pokud je materiál hřídele měkčí než náboj (což nebývá příliš často), je nutné kontrolovat i boky drážky hřídele. P O Z O R !!! Protože drážka v náboji je průchozí, nedotýká se pero této drážky po celé své délce (l), ale jen 21. ledna 2008
Strana 45/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje ve své rovné části (l – b). p = F / S ≤ pD p = F / [t 1 . (l – b) ] ≤ p D U dlouhých per toto zkrácení nemá příliš velký vliv na velikost tlaku, ale u krátkých per může být zmenšení výpočtové stykové plochy značné. Např. u pera b x h x l 10 x 8 x 25 je skutečná styková plocha o 40% menší než plocha vypočtená z celkové délky pera. Kromě výpočtu na otlačení se někdy provádí také kontrola pera na střih. Tentokrát se musí brát pro výpočet celý průřez pera (obdélník + dva půlkruhy), protože odpor klade celý průřez pera. Tento výpočet se dělá pouze výjimečně, pro běžné materiály platí, že vydrží-li pero na otlačení, vyhoví i na smyk: τs = F / S´ ≤ τDs S´ = S´rovná část + 2 . S´ půlkruh S´rovná část = b . (l – b) S´ půlkruh = ½ . π . b2 / 4 = π . b2 / 8 S´ = b . (l – b) + 2 . π . b2 / 8 = b . (l – b) + π . b2 / 4 τs = F / [b . (l – b) + π . b2 / 4] ≤ τDs
4.3 Příklad Zadání: Je třeba navrhnout a provést kompletní pevnostní kontrolu spojení hřídele o průměru d = 55 mm s nábojem, jestliže spoj přenáší statický kroutící moment Mk = 250 N.m . Délka náboje je 90 mm . Podle materiálu náboje je dovolený tlak p D = 55 MPa . Výpočet: 1)
Návrh pera se provede podle údajů uvedených v normě per (Strojnické tabulky). Pro průměr 55 mm je určeno pero b x h = 16 x 10 mm . Z důvodu výroby drážky v hřídeli a bezpečnosti nemá pero vyčnívat z náboje. Nejbližší nižší normalizované délka pera je tedy l = 80 mm .
2)
Pro takto navržené pero se provede kompletní pevnostní výpočet. Nejdříve se určí obvodová síla F působící na pero: F = 2 . Mk / d F = 2 . 250 000 / 55 = 9 091 N a)
Velikost hloubky drážky v náboji pro pero 16 x 10 je t 1 = 3,8 mm .Otlačení pera: p = F / [t 1 . (l – b) ] ≤ p D p = 9 091 / [3,8 . (80 – 16) ] ≤ 55 p = 37,4 < 55 MPa
21. ledna 2008
Strana 46/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje b)
Výpočet pera na střih: τs = F / [b . (l – b) + π . b2 / 4] ≤ τDs Normalizovaná pera jsou z materiálu 11 600. Pro tento materiál lze najít v tabulkách τDs = 105 - 145 MPa. τs = 9 091 / [10 . (80 – 10) + π . 102 / 4] ≤ 100 – 145 τs = 9 091 / [700 + 78,5] ≤ 100 - 145 τs = 11,7 << 100 – 145 MPa
Navržené pero pevnostně vyhoví. Z výpočtu je vidět, že pero je podstatně více namáháno na otlačení než na smyk. Výpočet na smyk se tedy obvykle nemusí provádět.
4.4 Klínové spoje Spojení hřídele s nábojem pomocí klínu je typickým představitelem kombinovaného způsobu spojení – tvarový a silový styk. Spojení je ukázáno na obr. 34 -o), p) (viz. Kapitola 4.1 ). Princip spojení je obdobný spojení pomocí pera. Výškově však klín není v drážkách uložen s vůlí, ale jeho dolní a horní plocha mají vůči sobě navzájem malý úkos. Při montáži vznikne díky tomuto úkosu tření mezi klínem a spojovanými součástmi a toto tření částečně přenáší kroutící moment. Díky malému úkosu je spojení samosvorné – tzn., že spoj není nutno pojišťovat proti axiálnímu posunu. Nevýhodou klínového spojení je to, že při zaražení klínu do drážky dochází ke vzniku sil oddalujících od sebe hřídel s nábojem (vlivem funkce úkosu). Tím vznikne malé vyosení náboje (zvláště když se jedná o menší tloušťky). Při větších otáčkách vzniká díky tomuto vyosení házení a nevyváženost náboje. Další nevýhodou je nebezpečí poranění u klínu s nosem. Tomu se však dá zabránit vhodnou konstrukcí spoje: Obrázek 37 - Spojení klínem s nosem
21. ledna 2008
Strana 47/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
4.5 Svěrné spoje Jedním z často používaných silových spojení hřídel-náboj je svěrný spoj: Obrázek 38 - Svěrné spoje
V obr. 38 a) je zobrazen svěrný spoj s děleným nábojem. Náboj je rozdělen na poloviny a je dotlačován na hřídel pomocí šroubů. Utahování šroubových spojů vznikají osové síly F0 , které způsobují tlak p mezi hřídelí a nábojem. Tento tlak vyvolá tření ve stykové ploše hřídelnáboj. Toto tření musí být větší než obvodová síla vyvolaná přenášeným kroutícím momentem Mk . Svěrný spoj s rozříznutým nábojem (obr. 38 b)) pracuje na stejném principu. Pouze potřebná utahovací síla šroubů F0 může být díky rovnováze sil na páce (F0 . l1 = F0 . l2 ) menší než u děleného náboje. Nevýhodou tohoto typu spojení je nerovnoměrné přitlačování hřídele k náboji. Tlak se zmenšuje se vzdáleností od stahovacího šroubu a může tedy dojít k proklouznutí spojovaných součástí a tím k poškození spoje. Velmi pevné spojení vznikne pomocí svěrného spoje s kuželem (obr. 39). Pokud je použit kužel s malým vrcholovým úhlem, vzniká utahováním matice na konci hřídele velká přítlačná síla a tím i velké tření. Na rozdíl od svěrných spojů se šrouby je velikost závitu u svěrného spoje s kuželem podstatně větší a tím je i menší napětí v tomto závitu. Obrázek 39 - Svěrný spoj s kuželem
21. ledna 2008
Strana 48/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Aby se nemusela vyrábět náročná kuželová plocha, využívají se sériově vyráběné (a tím i levnější) pružné kroužky (obr. 40). Jedná se o dvojice tenkých kroužků s vnitřní a vnější kuželovou plochou, které se působením axiální síly na sebe nasunují a mezi kroužky navzájem i mezi kroužky a nábojem a hřídelí vznikají třecí síly přenášející kroutící moment. Obrázek 40 - Spoj s pružnými kroužky
4.6 Tlakové spoje Tlakové spoje jsou konstrukčně nejjednodušší způsob spojení dvou součástí. Vnitřní součást (hřídel) je vyrobena o něco větší než součást vnější (díra-náboj). Hřídel se násilím vtlačí do díry. Hřídel se musí tedy při montáži zmešit a díra naopak zvětšit. Díky pružnosti materiálu se obě součásti spoje snaží vrátit na svůj původní rozměr. Hřídel vyvozuje tlak na díru a naopak. Tlak ve stykových plochách vyvolá tření, které přenáší kroutící moment.Rozdíl rozměrů hřídele a náboje musí být určen tak, aby vznikl dostatečně velký tlak mezi součástmi (a tím i velké tření), ale současně musí být materiál v oblasti pružných deformací (do meze pružnosti), jinak by došlo k poškození spojovaných součástí. V obr. 41 je provedeno rozdělení tlakových spojů podle způsobu montáže. U spojů s malým přesahem se montáž provádí za studena lisováním. Tento spoj lze rozebrat, ale obvykle bývají stykové plochy deformovány. Větších tlaků a třecích sil ve spoji lze dosáhnout využitím teplotní roztažnosti materiálu (Δl0 = l0 . α . Δt; kde l0 je původní délka materiálu, α je součinitel teplotní roztažnosti – pro ocel α = 1,2 . 10-5 K-1 , Δt je rozdíl teplot a Δl0 je změna délky součásti vlivem změny teploty). Rozdíl teplot lze dosáhnout 1)
smrštěním – vnější součást se nahřeje, tím zvětší svůj rozměr, až do ní lze volně vložit hřídel. Po ochlazení dojde ke smrštění náboje a jeho přitlačení ke hřídeli.
2)
roztažením – hřídel se zmrazí, tím zmenší svůj rozměr, až lze volně vložit do otvoru v náboji. Po vyrovnání teplot dojde ke zvětšení rozměru hřídele a tím k přitlačení k náboji.
Oběma výše uvedenými způsoby se dosáhne nerozebíratelného spojení hřídel-náboj. Pokud se toto spojení podaří rozebrat, obvykle jsou stykové plochy tak poškozeny, že spojení nelze obnovit. Z ekonomických důvodů se častěji používá smrštění. Ohřát náboj na vysokou teplotu (řádově i stovky °C) není problém. V případě roztažení je velmi drahé dosáhnout nízkých teplot. Navíc je ochlazování omezeno absolutní nulou (-273,15 °C). Zmrazování hřídele se používá pouze v případech, kdy z nějakých důvodů (např. přesně vyrobené rozměry náboje) nelze 21. ledna 2008
Strana 49/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje náboj zahřívat. Obrázek 41 - Rozdělení tlakových spojů
4.7 Příklad Navrhněte a proveďte kompletní pevnostní kontrolu spojení hřídele o průměru d = 45 mm s nábojem, jestliže spoj přenáší míjivý kroutící moment Mk = 175 N.m . Délka náboje je 80 mm . Podle materiálu náboje je dovolený tlak p D = 45 MPa .
21. ledna 2008
Strana 50/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
4.8 Autotest 18)
19)
20)
21)
22)
23)
24)
25)
Spojení pomocí pera patří do skupiny spojů s •
tvarovým stykem
•
kombinovaným stykem
•
silovým stykem
Spojení pomocí nalisování patří do skupiny spojů s •
tvarovým stykem
•
kombinovaným stykem
•
silovým stykem
Spojení pomocí klínu patří do skupiny spojů s •
tvarovým stykem
•
kombinovaným stykem
•
silovým stykem
U těsného pera není vůle mezi perem a spojovanými součástmi •
v délce pera
•
v šířce pera
•
ve výšce pera
Pero je pevnostně namáháno na •
střih a otlačení
•
ohyb a otlačení
•
střih a ohyb
Nos se u klínu používá •
z důvodu snadnější demontáže
•
pro zvýšení pevnosti spoje
•
pro zvýšení tření mezi klínem a spojovanými součástmi
U svěrných spojů se tlak ve stykové ploše hřídel-náboj vyvolá pomocí •
přesahu mezi nábojem a hřídelí
•
pomocí závitového spoje
•
ohřevem spojovaných součástí
Dostatečně pevný a současně montážně jednoduchý tlakový spoj je •
lisováním
•
smrštěním
21. ledna 2008
Strana 51/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje •
ohřevem
21. ledna 2008
Strana 52/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
5. Nýtové spoje Popis lekce: Lekce je rozdělena do dvou částí podle principu nýtování a to na přímé a nepřímé nýtování. Hlavní těžiště lekce je v části nepřímé nýtování - vysvětlení konstrukce a použití základních druhů nýtů. Na jednoduchých ukázkách je vasvětlen výpočet jedno- a dvoustřižného nýtu. Délka lekce: 90 minut Klíčová slova: nýt, přímé nýtování, nepřímé nýtování Motivace k lekci: I když v dnešní době je nýtování nahrazování levnějším svařováním, lze se s nýtováním setkat například při provádění oprav dříve vyrobených konstrukcí (typickým příkladem jsou železniční mosty) nebo v případech, kdy svařování nelze použít. Výklad:
5.1 Princip nýtování Nýtováním se vytváří nerozebíratelný spoj. Principem nýtování je vložení jedné součásti do druhé (přímé nýtování) nebo pomocné součásti – nýtu – do otvorů ve spojovaných součástech a následné deformaci materiálu, který vyčnívá z otvoru. Tím se vytvoří „hlava“ nýtu, která brání vypadnutí součásti (nebo nýtu) z otvoru. Aby bylo možné deformovat vyčnívající materiál, musí být tento materiál dostatečně tvárný. Výhody: •
pružnost spoje
•
spoj není tepelně ovlivněn
Nevýhody: •
pracnost při vytváření spoje
•
menší přesnost spojení
•
menší pevnost spoje
•
zeslabení spojovaných materiálů otvory
•
problematické dosažení těsnosti spoje
•
hlučnost při výrobě nýtového spoje
Z přehledu výhod a nevýhod vyplývá, že použití nýtování je dnes méně časté. 21. ledna 2008
Strana 53/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
5.2 Přímé nýtování U přímého nýtování je na jedné součásti vytvořen „výčnělek“, který svými příčnými rozměry odpovídá otvoru v součásti druhé. Po vložení obou součástí do sebe se přečnívající část rozklepe a tím dojde ke spojení. Obrázek 42 - Přímé nýtování
5.3 Nepřímé nýtování Aby bylo možné realizovat nýtový spoj, musí být materiál velmi dobře tvárný za studena. Tuto podmínku splňují materiály s malou pevností. Pro spojení běžně používaných materiálů se proto využívá nepřímé nýtování – ve spojovaných součástech jsou vyrobeny otvory, do kterých se vloží nýt z měkkého materiálu a tento nýt se rozklepe. Aby byl spoj dostatečně 21. ledna 2008
Strana 54/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje pevný, používá se ke spojení současně několik nýtů. V obr. 43 a 44 jsou zobrazeny nejběžnější typy nýtů: •
konstrukční nýt má na jedné straně půlkulovou hlavu
•
zápustný nýt má hlavu ve tvaru kužele; ve spojovaných materiálech je kuželové zahloubení, do kterého hlava zapadne (na druhé straně se vytvoří rozklepáním), takže nýt nevyčnívá nad spojovaný materiál
•
kotlový nýt má pod hlavou široký válcový nákružek. Při roznýtování se tento nákružek přitlačí ke spojovanému materiálu a tlakem mezi nýtem a spojovaným materiálem se zvýší těsnost spoje. Tento nýt se používal pro výrobu nádob pro menší tlaky
•
přesný nýt je shodný s konstrukčním nýtem, pouze je vyroben s větší přesností
•
nýt s plochou hlavou nevyžaduje zahloubení ve spojovaných materiálech a současně hlava nýtu příliš nepřesahuje spojovaný materiál
•
nýt s čočkovitou hlavou se používá pro spojení poměrně tenkých materiálů, kde nýty nesmí příliš vyčnívat nad materiál. Jedná se o kombinaci tvaru nýtu zápustného a s plochou hlavou
•
zápustný nýt s velkou hlavou se používá pro spojení velmi měkkých materiálů. Důležitá je velká plocha hlavy nýtu, aby při nýtování nebo následném zatížení nýtu nedošlo ke zvětšení otvoru a vypadnutí nýtu ze spoje
•
trubkový nýt využívá snadnou deformovatelnost trubky. Pro roznýtování není třeba velká síla
•
dvoudílný nýt je sice zařazen do nýtů, ale princip spojení je zcela odlišný. oba díly nýtu jsou duté a při naražení kuželové levé části do otvoru v pravé části dojde k velkému tření, které brání rozpojení obou částí (samosvornost)
•
nýt s trnem je jedním z nejpoužívanějších nýtů i v dnešní době. Používá se tam, kde jsou součásti přístupné pouze z jedné strany. Nýt se vloží do připravených otvorů ve spojovaných součástech tak, že trn vyčnívá ven. Těleso nýtu je duté a trn je napojen na levý konec nýtu přes tuto dutinu tak, že je v místě napojení zúžen. Pomocí speciálních nýtovacích kleští se trn vytahuje z nýtu. Tím se deformuje levý konec nýtu (v prostoru za součástmi, kde není přístup) a takto se vytvoří druhá hlava nýtu. Po ukončení nýtování se trn v místě zúžení odlomí
•
výbušný nýt se také používá v nepřístupných prostorách. Po úderu do hlavy nýtu dojde k výbuchu malé nálože umístěné na druhém konci nýtu. Tento výbuch deformuje materiál a vytvoří se druhá hlava. Cenově je tento nýt značně drahý
Obrázek 43 - Nejpoužívanější typy nýtů
21. ledna 2008
Strana 55/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Konstrukční nýt s půlkulovou hlavou:
DWF INVENTOR
•
Konstrukční nýt zápustný:
DWF INVENTOR
•
Konstrukční nýt:
DWF INVENTOR
•
Přesný nýt s půlkulovou hlavou:
DWF INVENTOR
•
Přesný nýt s plochou půlkulovou hlavou:
DWF INVENTOR
Obrázek 44 - Zvláštní typy nýtů
21. ledna 2008
Strana 56/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3D modely k obrázku ve formátu DWF a INVENTOR: •
Přesný zápustný nýt s čočkovitou hlavou:
DWF INVENTOR
•
Zápustný nýt s velkou hlavou:
DWF INVENTOR
•
Trubkový nýt:
DWF INVENTOR
•
Dvoudílný nýt otevřený:
DWF INVENTOR
•
Nýt s trnem:
DWF INVENTOR
•
Výbušný nýt:
DWF INVENTOR
21. ledna 2008
Strana 57/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
5.4 Výpočet nýtových spojů Nýty jsou namáhány na střih a na otlačení. Podle konstrukčního uspořádání spojení (obr. 45) se nýtové spoje pro výpočet rozdělují na a)
jednostřižné – veškerá síla je přenášena přes jediný průřez nýtu
b)
dvojstřižné – silový tok se dělí na ½ a průřez nýtu přenáší pouze poloviční sílu Obrázek 45 - Jedno- a dvojstřižný nýt
a)
τs = F / S ≤ τDs τ s = 4 . F / (π . d2 )≤ τ Ds p = F / S min ≤ p D kde S min je menší průmět stykové plochy nýtu se spojovanou součástí (pokud jsou součásti ze stejného materiálu. V případě, že větší součást je z měkčího materiálu, je nutné kontrolovat i tuto součást na otlačení) p = F / d . b min ≤ p D
b)
τs = F / (2 . S) ≤ τDs τ s = 2 . F / (π . d2 )≤ τ Ds p = F / S min ≤ p D kde S min je menší průmět stykové plochy nýtu se spojovanou, přičemž se musí pravá součást uvažovat jako jedna nerozdělená deska p = F / d . b min ≤ p D
Ve výpočtech je d průměr nýtu a b min je menší šířka spojovaných součástí (pokud není stejná), u dvojstřižného nýtu se u pravé součásti bere součet obou desek.
21. ledna 2008
Strana 58/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
6. Svarové spoje Popis lekce: Protože u svarových spojů závisí kvalita a tím i pevnost spoje ve velké míře na kvalitě provedení svaru, je část této lekce také věnována technologii svařování. Důraz je kladen na zvládnutí základních výpočtů s upozorněním na odlišnosti od běžných pevnostních výpočtů. Kromě toho je samozřejmě probráno rozdělení svarových spojů a vhodnost jejich konkrétního použití. Délka lekce: 180 minut Klíčová slova: tavné svary, tlakové svary, tupé svary, koutové svary, svařitelnost, výpočtová délka, Motivace k lekci: Svařování je nejrozšířenějším způsobem nerozebíratelného spojení materiálů, protože při správném technologickém postupu je pevnost svarového spoje prakticky totožná s pevností svařovaného materiálu. Pomocí svařování lze vyrábět i velmi složité a poměrně lehké konstrukce. Proto je důležité pochopit hlavní zásady navrhování svarových spojů a umět je pevnostně zkontrolovat. Výklad:
6.1 Princip, výhody a nevýhody svařování Principem svařování je natavení (nebo i roztavení) spojovaných (příp. i spojovacího) materiálů a následné jejich ztuhnutí. Dojde k vzájemnému promísení spojovaných materiálu na molekulární úrovni a po ochlazení a ztuhnutí ke vzniku jednolitého celistvého materiálu. Protože při provádění spoje jímá materiál za horka uhlík z ovzduší, nelze svařování provádět u materiálů s vysokým obsahem uhlíku. Dalším nasycením materiálu uhlíkem by vznikla velmi křehká struktura oceli. Vhodnost materiálu pro svařování se nazývá svařitelnost a určuje vhodnost materiálu pro svařování. Údaj o svařitelnosti je uveden v materiálové listu. Pro běžnou orientaci platí u konstrukčních ocelí třídy 10 a 11, že končí-li označení materiálu (dle ČSN) číslicí 3, jedná se o zaručeně svařitelný materiál (např. 11 353, 11 373, 11 523 atd.).
6.1.1 Výhody svarových spojů •
menší hmotnost konstrukce při stejné pevnosti (ve srovnání s litím, nýtováním, šroubováním apod.)
•
výrobně levné pro kusovou nebo malosériovou výrobu (lze vyrábět poměrně složité tvary při minimálních nárocích na přípravky)
21. ledna 2008
Strana 59/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje •
u větších sérií lze s výhodou využívat automatizaci (levná výroba) – např. karosérie automobilů
•
svařovat lze prakticky všude
•
těsnost spoje
•
vhodné pro běžně používané materiály ve strojírenství (ocel, plasty)
•
jednoduchá opravitelnost případných závad zavařením
6.1.2 Nevýhody svarových spojů •
nelze svařovat libovolné materiály (svařitelnost)
•
vysoké tepelné namáhání okolí spoje
•
nebezpečí vzniku pnutí po ochlazení
•
tuhost spoje
•
vyšší nároky na kvalitu obsluhy
6.2 Rozdělení svarových spojů Podle způsobu provedení svaru tyto spoje dělíme: a)
tavné svary – během svařování se natavuje pomocný materiál (elektroda nebo svařovací drát). Dojde promíchání spojovaných a spojovacího materiálu a po ztuhnutí vznikne celistvý materiál 1)
2)
tupé svary vzniknou přiložením spojovaných součástí čely k sobě a vytvoření svarového spoje v tomto čele. Podle úpravy čela před vlastním svařením se tyto svary dále dělí (podle tvaru jejich průřezu) (1/2 znamená, že je upraveno pouze jedno čelo – často se používá u materiálů s rozdílnými tloušťkami): •
lemový svar
•
V svar
•
½ V svar
•
U svar
•
½ U svar
•
Y svar
•
½ Y svar
•
X svar
•
½ X svar
koutové svary se používají pro svaření vzájemně kolmých plechů. Svar má trojúhelníkový průřez a podle tvaru volné přepony (odvěsny jsou na spojovaných materiálech) se dělí: •
21. ledna 2008
rovné Strana 60/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
3)
b)
•
vypuklé
•
vyduté
děrové svary - spojované součásti se „přeplátují“ (podélně překryjí) a v jedné součásti se udělají otvory nebo drážky. V těchto otvorech se vyrobí svar. Děrové svary se používají pro silnější materiály
tlakové svary se provádí bez přídavného materiálu. Pro vytvoření pevného spoje je nutné dostatečné natavení spojovaných součástí. 4)
5)
tupé svary - součásti jsou k sobě přiloženy čely a teplo vzniká buďto třením nebo vnějším zdrojem •
tlakem
•
odtavením
přeplátované svary - teplo vzniká přechodovým elektrickým odporem mezi navzájem stýkajícími se součástmi. Elektrody, kterými se přivádí do součástí elektrický proud, jsou měděné a jejich odpor je tedy malý •
bodové svařování
•
výstupkové svařování (pro zvýšení odporu jsou místa spojení v jednom plechu mírně prolisována – plechy se dotýkají pouze v místě svařování a nedochází k rozptylu energie)
•
švové svařování (místo elektrod jsou použity otáčivé kladičky, takže vzniká souvislý – těsný – svar)
6.3 Konstrukce svarových spojů Při návrhu svařované konstrukce je důležité dodržovat některé obecné zásady(obr. 46 a 47): •
vhodné využívání polotovarů – v nevhodném případě a) je celá konstrukce konzoly svařena z plechů. Pokud se využijí válcované profily U, T, významně se sníží počet svarů a tím i pracnost při výrobě při zachování tvaru a rozměrů původní konzoly.
•
omezení obrábění – v případě a) je nutné před svařování obrábět spojovaný materiál, aby vznikl prostor pro V svary. Vhodným posunutím součástí vůči sobě – případ b) - je lze svařit pomocí koutového svaru, který nevyžaduje přípravu ploch. U součásti s dírou je opět výhodné využít koutový svar a současně nevyrábět osazení a otvor soustružit až po svaření.
•
přístupnost svarů – pokud to je možné, umísťovat svary na vnější plochy, kde je daleko více prostoru pro svařování
•
omezení žebrování – žebra sice zvyšují tuhost konstrukce, ale při výrobě součásti dle obr.a) dochází k opakovanému svařování prakticky v jednom místě. Materiál v tomto místě neustálým zahříváním a ochlazováním jednak křehne a jednak se díky vnitřnímu pnutí deformuje. Obrázek 46 - Zásady navrhování svařovaných konstrukcí 1
21. ledna 2008
Strana 61/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
•
hromadění svarů – ze stejného důvodu je výhodnější navrhovat konstrukci tak, aby se v jednom místě „potkávalo“ co nejméně svarů – nebezpečí pnutí.
•
zabránění vzniku vrubů především u koutových svarů. Při svařování je důležité dbát na plynulý přechod mezi svarem a součástmi. Tím se zabrání vzniku vrubových špiček napětí.
•
využití plochých přírub z důvodu úspory materiálu a obrábění. Obrázek 47 - Zásady navrhování svařovaných konstrukcí 2
21. ledna 2008
Strana 62/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
6.4 Výpočet svarových spojů Obrázek 48 - Výpočtové vzorce namáhání svarových spojů
21. ledna 2008
Strana 63/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Způsob spojení a zatížení
Postup výpočtu
σ⊥ =
τ =
F⊥ ≤ σ Dsv s.l
F ≤ τ Dsv s.l
Dovolené napětí sváru
σ Dsv = σ D (tlak) σ Dsv = 0,85σ D (tah) τ Dsv = 0, 7σ D
Tupý kolmý svár namáhaný ohybem
σ⊥ =
M o ⊥ M o⊥ = ≤ σ Dsv Wosv 1 s 2 .l
σ Dsv = 0,85σ D
6
τ =
F⊥ ≤ τ Dsv 2a.l
τ⊥ =
F⊥ ≤ τ Dsv ⊥ 2a.l
τ =
F 2a.l
τ⊥ =
Mo F .e = 2Wosv 2. 1 .a.l 2 6
τ Dsv = 0, 65σ D τ Dsv ⊥ = 0, 75σ D
τ Dsv = 0, 65σ D
τ = τ 2 + τ ⊥2 ≤ τ Dsv τ =
Mk = Wksv
F .R ≈ π D4 − d 4 2. . D 16 2, 5 D.F .R ≈ 4 ≤ τ Dsv D − d4 =
τ Dsv = 0, 65σ D
D = d + 2a
V obr. 48 jsou uvedeny základní vzorce na tah, smyk a krut pro výpočet namáhání svarových spojů včetně běžných hodnot dovolených napětí. 21. ledna 2008
Strana 64/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Protože na začátku a konci svarové housenky nemusí dojít k dokonalému provaření, neuvažuje se při určování nosné plochy celá délka svaru – okraje svaru se do výpočtu nezahrnují. Délka svaru l, která se vkládá do pevnostního výpočtu svaru, se nazývá výpočtovou délkou. Obrázek 49 - Výpočtová délka tupého svaru
Obrázek 50 - Výpočtová délka koutového svaru
6.5 Příklad Zadání: Má se určit maximální možná zatěžující síla F u svarového spoje podle obr. 50, jestliže má součást délku l´= 80 mm a velikost svaru z=5mm. Matriál svařovaných součástí je 11 373, součinitel bezpečnosti k=2 a maz kluzu Re ≈ 0,6 . Rm . Namáhání součástí je statické. Výpočet: Jedná se o oboustranný koutový svar. Koutový svar je ve tvaru rovnoramenného pravoúhlého trojúhelníka, u kterého jsou obě odvěsny stejné. Jejich velikost se určí z Pythagorovy věty: z2 = a 2 + a2 z2 = 2 . a2 a = z / √2 Po dosazení: a = 5 / √2 = 3,5 mm 21. ledna 2008
Strana 65/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje O tuto vzdálenost se z obou stran zmenší výpočtová délka svaru: l = l´ - 2 . a = 80 – 2 . 3,5 = 73 mm Podle obr. 48 je spoj namáhán na střih. Ze značky materiálu (u konstrukčních ocelí tř. 10 a 11 lze určit přibližně dovolené napětí. U materiálu 11 373 je pevnost vzorku na tah přibližně Rm ≈ 370 MPa. Re ≈ 0,6 . Rm ≈ 0,6 . 370 ≈ 222MPa Z bezpečnosti se určí dovolené napětí v tahu σD = Re /k = 222 / 2 = 111 MPa Ze vztahu uvedeném v obr. 48 τDs = 0,75 . σD = 0,75 . 111 = 83 MPa Základní výpočtový vztah je uveden v obr. 48: τs = F / S ≤ τDs Nosná plocha svaru jsou 2 obdélníky (oboustranný svar) S = a . l = 3,5 . 73 = 255,5mm Po úpravě (2 svary) se určí minimálně přenášená síla F: F ≤ S . τDs = 2 . 255,5 . 83 = 42 413 N Svařená součást maximálně unese 42,4 N
21. ledna 2008
Strana 66/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
7. Pájené spoje Popis lekce: Lekce se věnuje pájení především ve srovnání se svařováním - porovnání vzájemných výhod a nevýhod. Dále je věnována pozornost zvláštnostem konstrukce pájených spojů Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: difúze, tvrdé pájení, měkké pájení Motivace k lekci: Především měkké pájení pomocí cínu lze bez problémů použít v domácích podmínkách bez nároků na drahé vybavení. Na rozdíl od svařování můžé zhotovit pájený spoj prakticky kdokoliv. Aby však byl tento spoj dostatečně pevný a kvalitní, je třeba mít základní teoretické vědomosti o pájení. Výklad:
7.1 Princip pájení, výhody a nevýhody Pájením se (obdobně jako svařováním) vytvoří nerozebíratelné spojení součástí materiálovým stykem. Základním rozdílem proti svařování je to, že při pájení je spojovací materiál jiný než materiál spojovaných součástí. Spojované materiály se při pájení netaví; roztavuje se pouze spojovací materiál (pájka), který v tekutém stavu prolíná mezi molekuly spojovaných materiálů. Toto prolínání se nazývá difúze. Aby došlo k difúzi pájky do spojovaných součástí, musí být jejich povrch čistý. Proto je nutné součásti před pájením také odmastit. Srovnání pájení se svařováním: Výhody: •
materiálové spojení i obtížně tavitelných materiálů
•
spojení nesvařitelných materiálů
•
malé tepelné ovlivnění spojovaných materiálů (výhodné především v elektrotechnice)
•
výrobní nenáročnost
Nevýhody: •
podstatně menší pevnost spoje
•
nutnost velké plochy spoje – náročnější příprava spojení
•
pečlivější příprava spojovaných ploch před pájením
21. ledna 2008
Strana 67/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
7.2 Rozdělení pájení, konstrukce pájených spojů Podle materiálu pájky (spojovacího materiálu) se pájení dělí na: 1)
tvrdé pájení - základem pájky je měď (Cu). K jejímu roztavení je třeba vyšší teploty – používá se plamen obdobně jako u svařování. Spoj má vyšší pevnost, ale z důvodu nutnosti roztavení pájky plamenem je větší náročnost na výrobu a spojované součásti jsou více tepelně ovlivněny.
2)
měkké pájení - základem pájky je cín (Sn). K roztavení cínu je třeba nižší teploty, které lze dosáhnout i elektrickým odporem. Pro měkké pájení se tedy používá tzv. pájecí pistole – zařízení, které elektrickým odporem taví cínovou pájku. Z tohoto důvodu se toto pájení používá nejčastěji v domácnostech a u kutilů i přes menší pevnost pájeného spoje.
Aby se dosáhlo dostatečné pevnosti pájeného spoje, je nutná velká plocha spojovaných součástí. Při pájení není vhodné spojovat součásti „natupo“. Příklady pájených součástí jsou uvedeny v obr. 51: Obrázek 51 - Příklady pájených spojů
21. ledna 2008
Strana 68/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
8. Lepené spoje Popis lekce: Lekce se věnuje nejjednoduššímu spojení součástí materiálovým stykem - lepení. Je provedeno srovnání s již probranými způsoby spojů s materiálovým stykem (svařování, pájení) a jsou ukázány zásady konstrukce lepených spojů. Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: adheze, koheze Motivace k lekci: Vzhledem k tomu, že lepení je nejjednodušší nerozebíratelné spojení součástí materiálovým stykem, lze jej použít prakticky kdekoliv bez zvlášzní přípravy. Častěji než v průmyslu se lepení využívá v domácnostech.
8.1 Princip lepení, výhody a nevýhody U lepení nedochází k tepelnému namáhání spoje. Principem lepení je přilnavost (adheze) lepidla a spojovaných součástí a vzájemná soudržnost (koheze molekul lepidla navzájem. V porovnání se svařováním nebo pájením má lepený spoj následující výhody a nevýhody: Výhody: •
nulové tepelné namáhání spoje
•
možnost spojení i nekovových materiálů
•
lepením vzniká elektrická izolace
•
jednoduchá výroba spoje
Nevýhody: •
menší pevnost spoje
•
nevhodné pro vyšší teploty
8.2 Výpočet a konstrukce lepených spojů Obrázek 52 - Namáhání lepeného spoje
21. ledna 2008
Strana 69/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Lepený spoj v obr. 52 je namáhán na smyk ve stykové ploše: τs = F / S ≤ τDs τs = F / (b . l) ≤ Rms /k Pro běžná lepidla je mez pevnosti ve střihu Rms asi 20 – 35 MPa; bezpečnost k se volí dle konstrukce a důležitosti spoje v rozmezí 3 až 5. Obrázek 53 - Zásady lepených konstrukcí
21. ledna 2008
Strana 70/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje V obr. 53 jsou příklady součástí spojených lepením. Platí stejná zásada jako u pájení – pro pevnost spoje je dostatečná velká plocha pro lepení. Zcela nevhodné je navrhovat spoj, u kterého je lepidlo namáháno na tah. Dále je pro pevnost lepeného spoje vhodná co možná nejtenčí vrstva lepidla (nejvhodnější kolem 0,1 mm. 1)
jednosložková lepidla jsou v tekutém stavu z důvodu obsahu rozpouštědla. Při působení vzduchu se rozpouštědlo odpaří a lepidlo zaschne, čímž vznikne adheze a koheze.
2)
dvousložková lepidla jsou pevnější. Lepidlo vznikne smícháním vlastní lepicí hmoty s tvrdidlem. Po tomto smíchání vznikají mezi oběma složkami chemické reakce, které způsobí ztuhnutí lepidla.
8.3 Autotest 26)
27)
28)
29)
30)
31)
Přímé nýtování je •
nerozebíratelné spojení součástí pomocí nýtů
•
nerozebíratelné spojení součástí bez pomoci nýtů
•
rozebíratelné spojení součástí pomocí nýtů
Z hlediska namáhání na střih je dvojstřižný nýt •
pevnější než jednostřižný
•
méně pevný než jednostřižný
•
stejně pevný jako jednostřižný
Při přístupnosti spoje jen z jedné strany použijeme při nýtování •
dvoudílný nýt nebo nýt s trnem
•
nýt s trnem nebo výbušný nýt
•
výbušný nýt nebo dvoudílný nýt
Seřaďte spojení od nejpevnějšího k nejméně pevnému: •
svařování - pájení - lepení
•
pájení - lepení - svařování
•
lepení - svařování - pájení
U kterého materiálu lze poznat přímo z jeho označení, že je svařitelný? •
12 020
•
11 500
•
11 373
Svar V patří do •
tupých tavných svarů
•
koutových tavných svarů
•
tupých tlakových svarů
21. ledna 2008
Strana 71/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje 32)
33)
34)
Principem pájení je •
adheze
•
koheze
•
difúze
Při návrhu pájených spojů je hlavní zásadou •
co největší vzdálenost spoje od obráběných ploch
•
co největší styková plocha součástí
•
vzájemná spájitelnost spojovaných součástí
Lepený spoj má být namáhán na •
tah
•
tah a střih
•
střih
21. ledna 2008
Strana 72/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje
Seznam literatury 1. R. Kříž – Strojní součásti I 2. Strojnické tabulky
Seznam správných odpovědí na autotesty 1)2, 2)3, 3)1, 4)1, 5)3, 6)1, 7)1, 8)1, 9)3, 10)1, 11)3, 12)3, 13)2, 14)1, 15)2, 16)3, 17)1, 18)1, 19)3, 20)2, 21)2, 22)1, 23)1, 24)2, 25)2, 26)2, 27)1, 28)2, 29)1, 30)3, 31)1, 32)3, 33)2, 34)3
Seznam obrázků Obrázek 1 - Rozdělení spojů ...................................................................................................... 6 Obrázek 2 - Tvarový styk........................................................................................................... 6 Obrázek 3 - Tvarový styk........................................................................................................... 7 Obrázek 4 - Materiálový styk..................................................................................................... 7 Obrázek 5 - Základní druhy šroubových spojů .......................................................................... 8 Obrázek 6 - Šrouby .................................................................................................................. 10 Obrázek 7 - Zvláštní druhy šroubů........................................................................................... 11 Obrázek 8 - Matice................................................................................................................... 13 Obrázek 9 - Podložky............................................................................................................... 14 Obrázek 10 - Tvarová pojištění šroubových spojů................................................................... 15 Obrázek 11 - Silová pojištění šroubových spojů...................................................................... 16 Obrázek 12 - Materiálové pojištění šroubových spojů............................................................. 17 Obrázek 13 - Druhy závitů ....................................................................................................... 17 Obrázek 14 - Levý a pravý závit .............................................................................................. 19 Obrázek 15 - Tříchodý závit..................................................................................................... 19 Obrázek 16 - Toleranční pole závitu ........................................................................................ 20 Obrázek 17 - Síly na šroubu ..................................................................................................... 21 Obrázek 18 - Rozvin závitu...................................................................................................... 21 Obrázek 19 - Silové poměry na závitu ..................................................................................... 21 Obrázek 20 - Druhy klíčů......................................................................................................... 24 Obrázek 21 - Torzní momentový klíč ...................................................................................... 25 Obrázek 22 - Ohybový momentový klíč .................................................................................. 26 Obrázek 23 - Uchycení jeřábového háku ................................................................................. 26 Obrázek 24 - Namáhání lícovaného šroubu ............................................................................. 28 Obrázek 25 - Šroubové uchycení víka válce ............................................................................ 28 21. ledna 2008
Strana 73/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje Obrázek 26 - Kotoučová spojka ............................................................................................... 30 Obrázek 27 - Rozdělení kolíků................................................................................................. 35 Obrázek 28 - Použití kolíkového spojení ................................................................................. 36 Obrázek 29 - Spárový kolík ..................................................................................................... 37 Obrázek 30 - Rozdělení čepů ................................................................................................... 37 Obrázek 31 - Pojištění čepů ..................................................................................................... 38 Obrázek 32 - Jednostřižný kolík............................................................................................... 39 Obrázek 33 - Dvojstřižný kolík................................................................................................ 39 Obrázek 34 - Spojení náboj-hřídel pomocí tvarového a kombinovaného styku ..................... 43 Obrázek 35 – Spojení náboj-hřídel pomocí silového styku ..................................................... 44 Obrázek 36 - Přenos kroutícího momentu pomocí pera........................................................... 46 Obrázek 37 - Spojení klínem s nosem...................................................................................... 48 Obrázek 38 - Svěrné spoje ....................................................................................................... 49 Obrázek 39 - Svěrný spoj s kuželem........................................................................................ 49 Obrázek 40 - Spoj s pružnými kroužky.................................................................................... 50 Obrázek 41 - Rozdělení tlakových spojů ................................................................................. 51 Obrázek 42 - Přímé nýtování ................................................................................................... 55 Obrázek 43 - Nejpoužívanější typy nýtů.................................................................................. 56 Obrázek 44 - Zvláštní typy nýtů............................................................................................... 57 Obrázek 45 - Jedno- a dvojstřižný nýt ..................................................................................... 59 Obrázek 46 - Zásady navrhování svařovaných konstrukcí 1 ................................................... 63 Obrázek 47 - Zásady navrhování svařovaných konstrukcí 2 ................................................... 64 Obrázek 48 - Výpočtové vzorce namáhání svarových spojů ................................................... 64 Obrázek 49 - Výpočtová délka tupého svaru ........................................................................... 66 Obrázek 50 - Výpočtová délka koutového svaru ..................................................................... 66 Obrázek 51 - Příklady pájených spojů .................................................................................... 69 Obrázek 52 - Namáhání lepeného spoje................................................................................... 70 Obrázek 53 - Zásady lepených konstrukcí ............................................................................... 71
Rejstřík adheze................................................70, 72
difúze ...................................................... 68
čep ...........................................................37
drážkování............................................... 42
děrové svary ............................................62
dvousložková lepidla .............................. 72
21. ledna 2008
Strana 74/75
Stavba a provoz strojů 1 - Spojovací součásti a spoje hřeby........................................................35
rýhovaný kolík ........................................ 34
imbus .........................................................9
samosvornost .................................... 21, 23
jednosložková lepidla..............................72
silové pojištění ........................................ 16
klíč...........................................................24
silový styk ................................................. 6
klín.....................................................43, 47
smyk...................................... 30, 38, 46, 71
KM matice...............................................12
spárový kolík..................................... 36, 43
koheze................................................70, 72
spojovací závity ...................................... 17
kolík.........................................................34
stavěcí šrouby ........................................... 9
korunková matice ....................................12
stoupání závitu ........................................ 18
koutové svary ..........................................61
střih ................................................... 46, 59
kuželový kolík .........................................34
svařitelnost .............................................. 60
lícování ....................................................20
svěrný spoj ........................................ 44, 48
lícovaný šroub ...........................................9
Šroubovák ............................................... 23
materiálový styk ........................................7
Šrouby..................................................... 10
měkké pájení ...........................................69
tah...................................................... 27, 29
metrický závit..........................................18
tavné svary .............................................. 61
nerozebíratelné spoje.................................5
teplotní roztažnosti materiálu.................. 49
nýt............................................................56
Tlakové spoje.......................................... 49
otlačení ......................27, 30, 31, 38, 45, 59
tlakové svary ........................................... 62
pájka ........................................................68
tlakový spoj............................................. 44
pero....................................................42, 44
Trubkový závit........................................ 18
Podélný kolík...........................................43
třecí úhel ................................................. 22
Podložky..................................................14
tupé svary.......................................... 61, 62
pohybové závity ......................................17
tvarové pojištění...................................... 15
pojištění ...................................................15
tvarový styk............................................... 6
pojištění materiálovým stykem ...............16
tvrdé pájení ............................................. 69
Pružné upínací kroužky...........................44
utahovací moment................................... 23
pružný kolík.............................................34
válcový kolík........................................... 34
přeplátované svary...................................62
Whithworthův závit ................................ 18
Příčný kolík .............................................42
závit......................................................... 17
rozebíratelné spoje.....................................5
Závrtný šroub............................................ 9
21. ledna 2008
Strana 75/75
