Połączenia kształtowe
Innowacyjne projektowanie
inżynierskie
mgr inż. Marek Wasilewski
Połączenia kształtowe
Innowacyjne projektowanie
inżynierskie
mgr inż. Marek Wasilewski
Połączenia kształtowe charakteryzują
się tym, że łączenie elementów
następuje wskutek
specjalnego
ukształtowania ich powierzchni
(wypusty)
lub przez zastosowanie
łączników
(wpustów, kołków, sworzni, klinów).
Połączenie te są rozłączne.
Połączenia kształtowe mogą być
bezpośrednie
(np. wielowypustowe) lub
pośrednie
(np. wpustowe, kołkowe,
klinowe, sworzniowe)
Wśród połączeń kształtowych wyróżniamy
połączenia:
* wpustowe
* wypustowe
* kołkowe
* sworzniowe
* klinowe
Połączenia wpustowe
służą do przenoszenia
momentu obrotowego z wału na osadzony na
nim element np. koło zębate, koło pasowe,
tarczę sprzęgła (lub odwrotnie).
np. połączenie wpustowe w sprzęgle kłowym
Połączenia wpustowe są dokonywane za pomocą wpustów. Wpust
jest wpasowany między powierzchnie boczne rowka, a między nim i
dnem rowka piasty jest luz.
Wpusty:
• pryzmatyczne pełne, ścięte lub zaokrąglone – połączenia
spoczynkowe;
• pryzmatyczne otworowe i czopkowe – połączenia ruchowe;
Przykład oznaczenia wpustu pryzmatycznego pełnego o szerokości b
= 10 mm, wysokości h = 8 mm, długości l = 32 mm:
Wpust pryzmatyczny A 10 x 8 x 32 PN – 70/M – 85005
B – wpust pryzmatyczny pełny, ścięty;
E – wpust pryzmatyczny zaokrąglony, dwuotworowy;
F – wpust pryzmatyczny pełny, ścięty, dwuotworowy;
EW – wpust pryzmatyczny zaokrąglony, dwuotworowy, wyciskany;
FW – wpust pryzmatyczny pełny, ścięty, dwuotworowy, wyciskany;
NS – wpust czopkowy niesymetryczny;
S – wpust czopkowy symetryczny.
Rodzaje wpustów:
a) pryzmatyczne – zaokrąglone pełne (A), ścięte
jednootworowe (D), zaokrąglone
dwuotworowe (E), zaokrąglone dwuotworowe
wyciskowe (EW);
b) czółenkowe;
c) czopkowe symetryczne (S) i niesymetryczne
(NS) [wg PN]
Połączenia wpustowe obliczamy ze względu na naciski
powierzchniowe i z tego warunku ustala się właściwą długość
wpustu
Połączenia wpustowe – dobór i obliczanie
gdzie:
F - siła wyznaczona z przenoszonego momentu obrotowego;
l
o
- długość czynna wpustu;
0,5h- wysokość powierzchni narażonej na naciski (wartość przybliżona);
n - liczba wpustów;
k
o
– naciski dopuszczalne.
Długość całkowita wpustu pryzmatycznego zaokrąglonego:
gdzie:
l
o
- długość czynna wpustu, dobierana z normy z ciągu długości zalecanych;
b – szerokość wpustu będąca jednocześnie średnicą zaokrąglenia
d
M
F
k
n
h
l
F
p
o
o
2
5
,
0
n
h
k
F
l
o
o
2
b
l
l
o
c
Zaletami połączeń wpustowych są:
- prosta konstrukcja
- niskie koszty wytwarzania
- łatwy montaż i demontaż
Wadami połączeń wpustowych są:
- brak ustalenia wzdłużnego koła na
wale
- rowek na wpust osłabia wał
- brak dobrego osiowania koła
na wale
Połączenia wypustowe
służą podobnie
jak wpustowe do przenoszenia momentu
obrotowego i łączenia wałów z kołami i
tarczami.
Wypusty – pozwalają uzyskać dokładne osiowanie, zmniejszyć
naciski powierzchniowe lub (zwiększyć obciążenie). Wymagają
dokładnego
wykonania
(0,02mm
na
200mm
odchyłka
równoległości).
Połączenia bezpośrednie – na czopie wału wykonywane są wypusty
współpracujące z odpowiednimi rowkami w piaście.
Połączenia o wypustach prostokątnych równoległych:
• grupa lekka – 6, 8, 10 wypustów;
• grupa średnia – 6, 8, 10 wypustów;
• grupa ciężka – 10, 16, 20 wypustów nie objęte normami.
Połączenia wielowypustowe z wypustami: a) o zarysie prostokątnym, środkowane
na powierzchni wału, b) o zarysie prostokątnym, środkowane na zewnętrznej
powierzchni wpustów, c) o zarysie trapezowym, d) o zarysie trójkątnym
(wielokarbowe), e) o zarysie ewolwentowym.
Połączenia wielowypustowe można osiować (centrować) na wymiarach D, d i b.
Osiowanie na:
• d – osiowanie na wewnętrznej średnicy – stosowane w połączeniach dokładnych,
przy wypustach utwardzonych – głównie w produkcji małoseryjnej;
• D – osiowanie na średnicy zewnętrznej – stosowane w połączeniach
spoczynkowych i średnio dokładnych ruchowych przy wypustach miękkich;
• b – osiowanie na bokach wypustów – najmniej dokładne. Stosuje się je w celu
zmniejszenia do minimum luzu obwodowego, co jest wymagane przede
wszystkim przy występowaniu częstych zmian kierunku obciążenia, znaczne
momenty. Daje najbardziej równomierne obciążenie, przenosi znaczne momenty.
Zależnie od przyjętego pasowania połączenia wielowypustowe mogą być spoczynkowe,
przesuwne lub luźne.
Zakładając, że F działa w połowie wysokości wypustów, wyznacza się średnią
średnicę:
Później z wzoru na moment obrotowy oblicza się wartość siły F
Do obliczeń przyjmuje się, że obciążenie przenosi tylko 75% powierzchni
wypustów i naciski powierzchniowe oblicza się z warunku:
gdzie:
h
o
– wysokość powierzchni styku jednego wypustu z piastą
l
o
– czynna długość styku wypustu z piastą;
n – liczba wypustów.
2
d
D
D
śr
d
D
M
D
M
F
D
F
M
o
śr
o
śr
o
4
2
2
o
o
o
o
o
o
k
n
h
F
l
k
n
l
h
F
p
75
,
0
75
,
0
2
d
D
h
o
Zalety połączenia wielowypustowego w porównaniu do
wpustowego:
- większa wytrzymałość przy obciążeniach zmiennych i
udarowych
- bardziej równomiernie rozłożony nacisk powierzchniowy
na powierzchniach wypustów
- większa sztywność czopa
- łatwiejszy montaż i demontaż
- lepsze osiowanie piasty na czopie
- lepsze prowadzenie piasty na czopie w połączeniach
przesuwnych
- mniejsza szerokość piasty
Wadą połączenia wypustowego jest
większy koszt i pracochłonnosć
wykonania wypustów na czopie wału i
w otworze piasty koła lub tarczy.
Zadaniem połączeń kołkowych może
być:
przeniesienie momentu obrotowego lub siły
wzdłużnej (kołki złączne)
dokładne ustalenie wzajemnego położenia części np.
elementów obudowy reduktora (kołki ustalajace)
zabezpieczenie przed wzajemnym przesunięciem
wzdłużnym częsci przy obrocie lub zabezpieczenie
przed wzajemnym obrotem częsci przy przesunięciu
wzdłużnym (kołki kierujące)
zabezpieczenie maszyny przed przeciążeniem
np. w tulejowych sprzęgłach bezpieczeństwa (kołki
zabezpieczające)
Kołek – element o kształcie walca lub stożka, którego długość
zawiera się w przedziale:
2d < l < 20d
Rozróżniamy kołki złączne i ustalające:
kołki złączne – przenoszenie sił tnących działających do osi kołka.
Można zastosować je jako elementy zabezpieczające przed
przeciążeniem;
kołki
ustalające
–
zapewnienie
dokładnego
położenia
współpracujących elementów.
W zależności od przeznaczenia, sposobu wykonania połączenia,
częstości montażu, demontażu i ich sposobu używa się różnych
typów
kołków.
Podstawowe
wymiary
kołków
są
znormalizowane. Otwory w elementach łączonych są wiercone i
rozwiercane wspólne.
Kołki gładkie (walcowe) powinny być wykonane z materiału
o wyższej wytrzymałości niż części łączone. Kołki normalne
wykonuje się ze stali St6.
Kołek stożkowy działa środkująco i nadaje się do połączeń
często rozłączanych. Droga luzowania jest krótka, zużycie
małe. Otwór na kołek stożkowy powinien być rozwiercony po
złożeniu łączonych części. Wykonanie złącza jest drogie.
Kołek stożkowy z gwintem stosowany jest w ślepych otworach,
ponieważ daje się wyjąć z otworu poprzez wkręcanie nakrętki
na gwint.
Kołek cylindryczny wymaga pasowania ruchowego, a to z kolei
wysokiej klasy dokładności otworu np. H7/m6. Droga luzowania
kołka jest długa, zużycie duże. Nie nadaje się do wielokrotnego
demontażu, ponieważ zacisk spada. Wykonanie połączenia jest
kosztowne.
Kołek sprężynujący rurowy wykonany ze stali sprężynowej nie
wymaga rozwierconego otworu. Używany bywa również
w połączeniach śrubowych jako tuleja odciążająca śrubę od
ścinania.
Kołki z karbami mają po trzy karby na części lub na całej
długości. Wbija się je do otworów o średnicy nieco mniejszej od
średnicy kołka.
Kołek z karbami na całej długości
Kołek z karbami zbieżnymi na całej długości
Przykłady zastosowań ustalających kołków walcowych
Połączenia kołkowe oblicza się ze względu na:
• ścinanie
• naciski powierzchniowe
t
k
S
F
o
k
S
F
p
Przykłady zastosowań kołków stożkowych
Połączenia sworzniowe
mają
zastosowanie w połączeniach
ruchowych (wahliwych lub
przegubowych) np. połączenie tloka z
korbowodem, połączenie ogniw w
łańcuchu sworzniowym. Ponadto służą
do łączenia wałów lub mogą zastępować
połączenia nitowe w celu łączenia blach
lub prętów.
Sworzeń jest to gruby kołek walcowy,
wymagający dodatkowego zabezpieczenia
przed przesunięciem wzdłużnym
(wysunięciem się z łączonych elementów)
Rodzaje sworzni : a) bez łba, b) z dużym łbem,
c) z czopem gwintowanym, d) noskowy
Połączenia sworzniowe widełkowe
1 - sworzeń
2 – łącznik środkowy
3 - widełki
Połączenia sworzniowe – obliczenia wytrzymałościowe
Zginanie
Warunek wytrzymałościowy
Moment zginający maksymalny
8
8
)
2
(
4
2
2
2
2
max
2
1
1
2
1
max
l
F
M
l
l
F
l
F
l
l
F
M
g
g
3
max
3
max
3
4
4
max
1
,
0
1
,
0
1
,
0
1
,
0
g
g
g
g
g
o
x
g
x
g
g
k
M
d
k
d
M
d
d
d
d
W
k
W
M
Połączenia sworzniowe – obliczenia wytrzymałościowe
Ścinanie
t
t
t
k
F
d
k
d
F
k
S
F
2
2
4
2
Połączenia sworzniowe – obliczenia wytrzymałościowe
Naciski powierzchniowe
tablic
z
k
z
k
k
l
d
F
p
k
l
d
F
p
c
o
o
o
2
1
2
"
'
Dopuszczalne naciski powierzchniowe w połączeniach kształtowych
Warunki pracy
Rodzaj połączenia
I
II
III
współczynnik z
Spoczynkowe
0,35
0,60
0,80
Przesuwne – bez obciążenia
0,15
0,25
0,30
Przesuwne lub obrotowe
(wahliwe) – pod obciążeniem
)
0,03
0,06
0,10
) dotyczy przypadku, gdy powierzchnie robocze czopa wału (lub sworznia) są ulepszone cieplnie lub
hartowane.
Warunki pracy:
I – ciężkie: obciążenia zmienne o cyklu wahadłowym, uderzeniowe, drgania o dużej częstotliwości i
amplitudzie, powierzchnie niedostatecznie smarowane ( w połączeniach przesuwnych) itp.
II – średnie: obciążenia zmienne, minimalne drgania, przeciętne smarowanie, przeciętna obróbka
powierzchni itp.
III – lekkie: obciążenia jednokierunkowe, dobre smarowanie, dokładna obróbka i mała chropowatość.
ko = z
kc , gdzie z – współczynnik zależny od warunków pracy oraz uwzględniający pominięcie w
obliczeniach ścięć i promieni ( zwykle 0,3
0,5 mm ) .
kc – naprężenia dopuszczalne ( dla materiału słabszego z elementów współpracujących) .
Połączenia klinowe
są to
połączenia pośrednie
przenoszące obciążenia nie tylko
siłami spójności klina, ale także
dzięki siłom tarcia, stąd
nazywane są połączeniami
kształtowo – ciernymi.
Rodzaje połączeń klinowych
Połączenie klinowe
wzdłużne
Połączenie klinowe
poprzeczne
Połączenia klinowe wzdłużne
a)z klinem wpuszczanym, b) z wklęsłym,
c) z płaskim, d) ze stycznym, e) klin noskowy
Kliny wzdłużne – podobne są do wpustów
pryzmatycznych, ale mają pochylenie 1 : 100.
Przy występowaniu znacznych obciążeń
zmiennych i występowaniu zmiennego kierunku
obrotu stosujemy tzw. zespoły klinów stycznych
(po dwa kliny we wspólnych rowkach).
Dwie pary klinów można rozstawić pod kątem
120
(wyjątkowo co 180
).
Połączenia klinowe poprzeczne to połączenia takie, aby
mogły pracować przy zmiennych obciążeniach. Należy je tak
zaprojektować, aby uzyskać tzw. napięcia wstępne.
Wady połączeń klinowych poprzecznych:
• osłabianie części łączonych;
• nierównomierne naprężenia;
• stosowania dużych sił przy montażu.
Połączenia klinowe poprzeczne zastępuje się połączeniami:
• kołkowymi;
• sworzniowymi;
• gwintowymi.
Klin jest wbijany siłą Q co powoduje powstanie między roboczymi
powierzchniami klina i części łączonej znacznych sił docisku i związanych z
nimi sił tarcia T. Przy obciążeniu połączenia siłą F, reakcje R dążą do
wysunięcia klina. Aby klin nie wypadł w czasie pracy musi być spełniony
warunek samohamowności. Dla klinów jednostronnych i dwustronnych
symetrycznych, warunek jest określony zależnościami:
gdzie:
ρ – kąt tarcia,
μ – współczynnik tarcia μ = tg ρ
2
,
Połączenia klinowe
Dla przeciętnych warunków pracy (stal po stali, powierzchnie niesmarowane),
przyjmuje się obliczeniowy współczynnik tarcia:
= 0,1
= arctg 0,1
5
43
Dla klina jednostronnego wzdłużnego (rys. a)
Pochylenie:
Dla klina dwustronnego poprzecznego (rys. b)
Zbieżność:
100
:
1
01
,
0
czyli
tg
l
h
H
S
5
:
1
2
,
0
2
2
czyli
tg
L
h
H
C
