background image

Damian                                                                                                                                     17.04.2015 
Urbański 
211260 

 

 

 

Podstawy konstrukcji maszyn I 

 

 

Połączenia gwintowe 

 

Zaprojektować połączenie gwintowe pokrywy zbiornika ciśnieniowego 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Dane 

Obliczenia 

Wyniki 

 
Pn=1MPa 
Dn=800mm 
Pz=65MPa 
E

s

=2,1*10

E

z

=1,1*10

5

 

E

A

=0,7*10

5

 

I.Robocze obciążenie śrub 
 
Stal St5 (E295) Re=295MPa, k

r

=145MPa, k

s

=90MPa 

Ilość śrub: 10 
 
Obciążenie maksymalne śruby Q 
Q=Q

p

+Q

z

 

Siła robocza Q

p

 

𝑸

𝒑

=

1

𝑖

𝜋

4

𝐷

𝑛

2

𝑝

𝑚𝑎𝑥

=

1

10

∗ 0,785 ∗ 800

2

∗ 1 = 𝟓𝟎𝟐𝟒𝟎 𝑵 

i=ilość śrub 
 
Zacisk resztkowy Q

z

 

𝑄

𝑧

=

𝑝

𝑢

∗ 𝐹

𝑢

𝑖

 

F

u

-powierzchnia uszczelnienia 

𝐹

𝑢

= 𝜋(𝑟

2

2

− 𝑟

1

2

) = 3,14 ∗ (164025 − 160000)

= 12638,5 𝑚𝑚

2

 

𝑸

𝒛

=

65 ∗ 12638,5

10

= 𝟖𝟐𝟏𝟓𝟎, 𝟐𝟓 𝑵 

 

Q=82150,5+50240=132390,25 N 

 
Obliczenie średnicy rdzenia śruby d

3

 

Z warunku na rozciąganie 

𝜎

𝑟

=

𝑄

𝐹

𝑟

=

𝑄

𝜋

4 𝑑

3

2

≤ 𝑘

𝑟

 

stąd: 

𝒅

𝟑

≥ √

4𝑄

𝜋𝑘

𝑟

= √

4 ∗ 132390,25

3,14 ∗ 145

= 𝟑𝟒, 𝟏𝟎 𝒎𝒎 

ze względu na późniejszą możliwość potrzeby większej 
wytrzymałości ze względu na moment dokręcenia śrub 
dobieram śrubę: 
M42x2 o parametrach: d

2

=40,70 mm, d

3

=39,55 mm 

D

1

=39,84 mm 

 
Obliczenie minimalnej wysokości nakrętki 
Z warunku na nacisk powierzchniowy 

𝑵 ≥

𝑄𝑃

𝜋

4 (𝑑

2

− 𝐷

1

2

)𝑝

𝑑𝑜𝑝

𝑧

 

=

132390,25 ∗ 1

0,785 ∗ (42

2

− 39,84

2

) ∗ 12 ∗ 1

= 𝟕𝟗, 𝟓 𝒎𝒎 

 
Przyjmujemy śrubę o długości l

s

=100 mm

Q=132390,25N 
Q

m

=115203N 

background image

II. Montażowe obciążenie śrub 
 

𝑄

𝑚

=

𝑄

𝑝

1 +

𝐶

𝑠

𝐶

𝑘

+ 𝑄

𝑧

 

C

s

,C

k

- sztywności śruby i kołnierza 

1

𝐶

𝑠

=

𝑙

𝑠

𝐸

𝑠

𝐹

𝑠

 

l

–długość śruby ulegająca wydłużeniu 

E

– moduł Younga materiału                                                      

F

s

 – pole przekroju śruby 

Materiał śruby-stal St5 
Materiał kołnierza-żeliwo ZI400 
Materiał uszczelki-aluminium 
 

𝐹

𝑠

= 𝜋𝑟

2

= 3,14 ∗ (

39,55

2

)

2

= 1227,9 𝑚𝑚

2

 

 

𝐶

𝑠

=

𝐸

𝑠

𝐹

𝑠

𝑙

𝑠

=

2 ∗ 10

5

∗ 1227,9

100

= 2455798 𝑁/𝑚𝑚 

 
 

1

𝐶

𝑘

=

2

𝜋𝐸

𝑘

𝑑

0

𝑡𝑔𝜀

𝑙𝑛

(𝑆 + 𝑑

0

)(𝑆 + 𝑙𝑡𝑔𝜀 − 𝑑

0

)

(𝑆 − 𝑑

0

)(𝑆 + 𝑙𝑡𝑔𝜀 + 𝑑

0

)

 

gdzie: 
l-sumaryczna grubość łączonych kołnierzy 
d

0

-średnica otworu pod śrubę 

S-wymiar pod klucz 
przyjmujemy tgε=0,5 
 

1

𝐶

𝑘

=

2

3,14 ∗ 1,1 ∗ 10

5

∗ 42 ∗ 0,5

∗ 𝑙𝑛

(65 + 42)(65 + 100 ∗ 0,5 − 42)
(65 − 42)(65 + 100 ∗ 0,5 + 42)

         

=

2

7253400

∗ 𝑙𝑛

7811
3611

= 2,13 ∗ 10

−7

 

 

𝐶

𝑘

= 4700549 𝑁/𝑚𝑚 

 
 

𝑸

𝒎

=

50240

1 + 0,52

+ 82150,25 = 𝟏𝟏𝟓𝟐𝟎𝟑 𝑵 

 
 
 

background image

 

III. Obliczenie momentu dokręcenia śrub 
 

𝑀

𝑠

= 0,5 ∗ 𝑑

2

∗ 𝑄 ∗ 𝑡𝑔(𝛾 + 𝜌

γ-kąt pochylenia linii śrubowej 
ρ’-pozorny kąt tarcia między śrubą a nakrętką 
 

γ = arctg

𝑃

𝜋𝑑

2

= 0,78

𝑜

 

𝜌

= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔

𝜇

𝑐𝑜𝑠

𝛼

2

= 7,9

𝑜

 

 
µ-współczynnik tarcia między śruba a nakrętką=0,12 
α-kąt zarysu, 60

o

 dla gwintów metrycznych 

tg 8,68

o

=0,153 

 

𝑀

𝑠

= 0,5 ∗ 40,70 ∗ 13239,25 ∗ 0,153

= 412203,66 𝑁 ∗ 𝑚𝑚 

 
Obliczenie naprężeń rozciągających 
 

𝝈

𝑟

=

𝑄

𝜋

4 ∗ 𝑑

3

2

=

132390,25

0,785 ∗ 1564,2025

=             

= 𝟏𝟎𝟕, 𝟖𝟐 𝑴𝑷𝒂 ≤ 𝑘

𝑟

= 145 𝑀𝑃𝑎 

 
Obliczenie naprężeń skręcających 
 

𝝉 =

𝑀

𝑠

𝜋

16 𝑑

3

3

=

412203,66

0,19625 ∗ 61864,208875

=                      

= 𝟑𝟑, 𝟗𝟓 𝑴𝑷𝒂 ≤ 𝑘

𝑠

= 90 𝑀𝑝𝑎 

 
Obliczenie naprężeń zastępczych wg hipotezy Hubera 
 

𝝈

𝒛

= √𝜎

𝑟

2

+ 3𝜏

2

= √11625,1524 + 3457,8075

= 𝟏𝟐𝟐, 𝟖𝟏 𝑴𝑷𝒂 ≤ 𝑘

𝑟

= 145 𝑀𝑃𝑎 

 

M

s

=412203,66 

N*mm 

Mat:ZI400 
R

m

=400MPa, 

R

g

=600MPa 

k

g

=600MPa 

D

n

=800mm 

D

s

=820mm 

IV. Obliczenie grubości ścian, dna oraz pokrywy 
 
Materiał: żeliwo szare ZI400, R

m

=400 MPa, R

g

=600 MPa 

k

g

=600 MPa 

 
Obliczenie grubości ścian 
 

𝑔 =

𝑝

𝑛

∗ 𝐷

𝑛

2𝑘

𝑟

𝑧

+ 𝑐 

𝑘

𝑟

=

𝑅

𝑚

𝑥

𝑟

=

400

5

= 80 𝑀𝑃𝑎 

g

s

=10 mm 

g

p

=25,09 mm 

g

d

=24,27 mm 

background image

x

r

-współczynnik bezpieczeństwa 

c-dodatek ze względu  na tolerancje wykonawcze, 
zużycie, korozję; dla odlewów c=3-5 
z=1, ponieważ p

n

≤0,2k

r

 

 

𝒈 =

1 ∗ 800

2 ∗ 80 ∗ 1

+ 5 = 5 + 5 = 𝟏𝟎 𝒎𝒎 

 
 
Obliczenie grubości pokrywy 
 
P

n

-wypadkowa nacisku czynnika 

P

u

-wypadkowa nacisku szczeliwa, traktowana jako zacisk 

resztkowy 
P

s

-wypadkowa nacisku śrub 

 
P

s

=P

n

+P

u

 

 

𝑃

𝑛

=

𝜋

4

∗ (𝐷

𝑠

− 𝑏

𝑢

)

2

𝑝

𝑛

 

D

s

-średnia średnica uszczelnienia=820 mm 

b

u

-szerokość uszczelnienia = 20 mm 

 

𝑃

𝑛

= 0,785 ∗ (820 − 20)

2

∗ 1 = 502400 𝑁 

 

𝑃

𝑢

= 𝜋 ∗ 𝐷

𝑠

∗ 𝑏

𝑢

∗ 𝑞

 

q’-wymagany nacisk na uszczelkę (dla pierścienia 
aluminiowego=5,5p

n

 

𝑃

𝑢

= 3,14 ∗ 820 ∗ 20 ∗ 5,5 ∗ 1 = 283228 𝑁 

 

𝑃

𝑠

= 785628 𝑁 

 
M

g

-moment gnący działający na pokrywę 

𝑀

𝑔

=

1

2𝜋

∗ [𝑃

𝑠

𝐷

0

− 𝑃

𝑢

𝐷

𝑠

2
3

𝑃

𝑛

(𝐷

𝑠

− 𝑏

𝑢

)] 

D

0

-średnica rozmieszczenia otworów śrubowych=900 

mm 
 

𝑀

𝑔

=

1

6,28

∗ [785628 ∗ 900 − 283228 ∗ 820 −

2
3

∗ 502400 ∗ 800] = 33368000 𝑁 ∗ 𝑚𝑚 

 
Wskaźnik wytrzymałości pokrywy na zginanie 

𝑊

𝑥

=

1
6

(𝐷

𝑝𝑘

− 2𝑑

0

)(𝑔 − 𝑐)

2

 

 
 

background image

gdzie: 
d

0

-średnica otworu na śruby=42 mm 

g-grubość pokrywy 
c-naddatek grubości=6 mm 
D

pk

-średnica zewnętrzna pokrywy=1000 mm 

 
stąd grubość pokrywy 

𝑔 = √

6𝑊

𝑥

(𝐷

𝑝𝑘

− 2𝑑

0

)

+ 𝑐 

Z warunku wytrzymałościowego 
 

𝜎

𝑔

=

𝑀

𝑔

𝑊

𝑥

≤ 𝑘

𝑔

 

 
stąd minimalny wskaźnik wytrzymałości 
 

𝑊

𝑥

=

𝑀

𝑔

𝑘

𝑔

=

33368000

600

= 55613,33 𝑚𝑚

3

 

 
Zatem minimalna grubość pokrywy 
 

𝒈 = √

333680

916

+ 6 = 𝟐𝟓, 𝟎𝟗 𝒎𝒎 

 
Obliczenie minimalnej grubości dna 
 

𝒈 = √

6𝑊

𝑥

𝐷

𝑝𝑘

+ 𝑐 = √

333680

1000

+ 6 = 𝟐𝟒, 𝟐𝟕 𝒎𝒎 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Wykres sztywności elementów złącza 

Cs 

Δl 

2455798 

0,01 

24557,98 

0,02 

49115,96 

0,03 

73673,94 

0,04 

98231,92 

0,05 

122789,9 

0,06 

147347,9 

0,07 

171905,9 

0,08 

196463,8 

 

Ck 

Δl 

4700549 

0,026911 

209214 

0,036911 

162208,5 

0,046911 

115203 

0,056911 

68197,51 

0,066911 

21192,02 

0,071511 

 

 

0

50000

100000

150000

200000

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09