background image

LABORATORIUM Z PODSTAW KONSTRUKCJI 

I EKSPLOATACJI MASZYN  

Ćwiczenie Nr 4  

OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA 

POŁĄCZENIU GWINTOWYM I NA POWIERZCHNI 

OPOROWEJ 

NAKRĘTKI ORAZ SPRAWNOŚCI  

 

1. Cel ćwiczenia  

a)  Doświadczalne  wyznaczenie  współczynników  tarcia  w  połączeniu  gwintowym  i  na 

powierzchni oporowej 

nakrętki  

b)  Sprawdzenie  wzorów  na  współczynniki  tarcia  w  połączeniu  gwintowym  i  na 

powierzchni 

oporowej 

nakrętki  przy  dokręcaniu  i  odkręcaniu  nakrętki 

wyprowadzonych z 

modelu przybliżonego i dokładnego  

c) Oblic

zenie sprawności połączenia gwintowego i śrubowego.  

 

2. Wprowadzenie  

Połączenia śrubowe należą do najczęściej stosowanych połączeń rozłącznych. Montaż 

połączenia  złożonego  ze  śruby i  nakrętki  w  większości  przypadków  przeprowadza  się 

przy  pomocy  dwóch  kluczy  maszynowych,  z  których  jeden  obraca  nakrętkę  a  drugi 

unieruchamia  łeb  śruby.  Taki  sposób  dokręcenia  nakrętki  nie  zapewnia  uzyskania 

odpowiedniej siły napięcia wstępnego, dlatego  też odpowiedzialne połączenia dokręca 

się  kluczami  dynamometrycznymi,  a  szczególnie  odpowiedzialne  z  wykorzystaniem 

tensometrów.  Moment  obrotowy  potrzebny  do  dokręcenia  nakrętki  określa  się  z 

zależności analitycznej. Praca tracona przy dokręcaniu lub odkręcaniu nakrętki zużywa 

się  na  pokonanie  momentów  tarcia  na  współpracujących  zwojach  gwintów  śruby  i 

nakrętki  oraz  na  powierzchni  oporowej  nakrętki,  odpowiednio  w  ostatnim  stadium 

dokręcania  lub  w  początkowym  stadium  odkręcania.  Tak  więc  momenty  te  zależą  od 

współczynników  tarcia  w  połączeniu  gwintowym  i  na  powierzchni  oporowej  nakrętki, 

które należy wyznaczyć doświadczalnie.  

Momenty dokręcenia 

dokr

M

 

i odkręcenia 

odkr

M

 

nakrętki wyznacza się ze wzorów:  

background image

dokr

dokr.gw

dokr.n

M

M

M

,                                               (1)  

odkr

dokr.gw

odkr.n

M

M

M

,                                               (2)  

dokr.n

odkr.n

M

M

.  

Momenty 

tarcia  między  współpracującymi  zwojami  gwintów  śruby  i  nakrętki 

dokr.gw

M

  i 

odkr.gw

M

 

wyznacza  się  z  analizy  jednego  z  modeli  połączenia  gwintowego  - 

uproszczonego (płaskiego) lub dokładnego (przestrzennego).  

 

Analiza modelu uproszczonego  

Modelem  uproszczonym  dowolnego  połączenia  gwintowego  (a  więc  także  połączenia 

gwintowego  metrycznego)  jest  połączenie  z  gwintem  prostokątnym,  w  którym  siła 

nacisku  w  przekroju  osiowym 

o

N

  do  zarys

ów  gwintów  współpracujących  oraz 

rzeczywista siła normalna 

N

 

do płaszczyzny gwintu (

N

N

).  

 

 
 

 

Rys. 1. Model uproszczony 

połączenia gwintowego  

 

Po rozwinięciu linii śrubowej (na  wysokości jednego skoku 

h

P

) otrzymuje się  właściwą 

postać płaską tego modelu jako trójkąt prostokątny (równię pochyłą - maszynę prostą) o 

kącie pochylenia linii śrubowej 

  (rys.  2).  Jest  to  model 

w którym  można rozpatrywać 

ruch nakrętki względem śruby z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia tarcia (rys. 2a), 

background image

przy czym przy uwzględnieniu tarcia rozpatruje się dokręcanie (rys. 2b) lub odkręcanie 

nakrętki (rys. 2c).  

 

 

Rys. 2. Model uproszczony (siły działające na zwój gwintu nakrętki)  

 

Momenty  obrotowe 

siły  obwodowej  przyłożonej  do  klucza  dokręcającego  lub 

odkręcającego  nakrętkę  (

dokr

M

odkr

M

)  mus

zą  pokonać  momenty  tarcia  gwintów 

odpowiednio 

dokr

2

F

r

  oraz 

odkr

2

F

r

  (

2

2

r

0,5 d

,

2

d

  - 

średnica  podziałowa  gwintu)  oraz 

moment tarcia na powierzchni c

zołowej nakrętki 

o

2

c

Q

r

  

:  

dokr

dokr

2

o

2

c

M

F

r

Q

r

 

  

,                                            (3)  

odkr

odkr

2

o

2

c

M

F

r

Q

r

 

  

,                                            (4)  

gdzie z rys. 2b) i 2c):  

dokr

o

F

Q

tg

  

,                                                    (5)  

odkr

o

F

Q

tg

  

 

(dla gwintów samohamownych)  (6)  

Ponieważ  rozpatruje  się  gwinty  złączne  o  zarysie  trójkątnym dla których kąt zarysu 

2

60

 

, więc              

1

1

n

n

n

n

N

tg

T

tg

N cos

N cos

cos

cos

 

 

,                            (7)  

gdzie 

 - 

pozorny kąt tarcia, 

1

arc tg

 

 - 

kąt tarcia, a 

n

tg

tg

cos

tg

   

  

, gdyż:  

n

EF

CD

tg

AE

AE

 

 oraz 

CD

AC tg

 

 i 

AC

AE

cos

.  

 

 

 

background image

Analiza modelu 

dokładnego  

W modelu dokładnym rozpatruje się bezpośrednio współpracę gwintów o rzeczywistym 

zarysie (rys. 3 i 4) 

oraz uwzględnia opór tarcia na powierzchni czołowej nakrętki.  

 

 

 

Rys. 3. Model dokładny połączenia gwintowego  

 

 

 

Rys. 4. Rozkład sił działających na zwój gwintu nakrętki  

 

background image

Z rzutu sił na oś pionową otrzymuje się równość:  

n

1

n

o

N cos

cos

N sin

Q

 

    

 

 

oraz wzór na siłę normalną do powierzchni zarysu gwintu:  

o

n

1

n

Q

N

cos

cos

sin

 

   

.  

Tak  więc  moment  potrzebny  do  dokręcenia  nakrętki  (pokonania  momentu  tarcia)  i 

wywołania w śrubie naciągu 

o

Q

 wynosi:  

dokr

2

2

c

o

2

2

c

o

M

F r

r

Q

F r

r

Q

     

     

,  

dokr

2

n

1

n

2

c

o

M

0,5 d

N cos

sin

N cos

r

Q

 

    

    

,  

c

n

1

dokr

2

o

2

n

1

2

r

cos

tg

M

0,5 d

Q

2

cos

tg

d

    

 

 

    

,                         (8)  

c

n

1

odkr

2

o

2

n

1

2

r

cos

tg

M

0,5 d

Q

2

cos

tg

d

    

 

 

    

.                         (9)  

3. Opis stanowiska  

Stanowisko  przedstawione  na  rys.  6  składa się  z  korpusu  1,  sprężyny  talerzowej  10  i 

czujnika zegarowego 14 do wyznaczania siły osiowej, tulejki oporowej 7 zabezpieczonej 

przed  obrotem  kołkami  8,  wzdłużnego  łożyska  kulkowego  13,  wymiennych  podkładek 

pod nakrętkę 6a i 6b (rys. 6 i rys. 7), nakrętki 4 i śruby badanej 3, której łeb osadzony w 

płycie przesuwnej 2 na podkładce kulistej 5 zabezpieczony jest przed obrotem nakładką 

9.  Sprężyna  10  dociskana  jest  dwiema  tarczami  przesuwnymi  11  i  12.  W  komplet 

stanowiska  wchodzi  jeszcze  klucz  dynamometryczny  oraz  ewentualnie  inne  śruby  i 

nakrętki do badania.  

Przy wyznaczaniu całkowitego momentu oporu (tarcia), czyli w gwintach śruby i nakrętki 

oraz  na  czołowej  (oporowej)  powierzchni  nakrętki,  stosuje  się  podkładkę  6a,  której 

występy  (kły)  zazębiają  się  z  rowkami  tulejki  oporowej  7.  Przy  tym  badaniu  łożysko 

toczne  13  nie  jest  obciążane.  Natomiast  przy  wyznaczaniu  tylko  momentu  tarcia  w 

gwintach stosuje się podkładkę 6b osadzoną na łożysku tocznym 13 i nie zazębioną z 

tulejką oporową 7, dzięki czemu  można pominąć moment oporu wywołany tarciem na 

powierzchni czołowej nakrętki.  

 

background image

 

 

 

Rys. 6. Schemat stanowiska do badania 

oporów całkowitych tarcia  

 

 

 

 

Rys. 7. Schemat stanowiska do badania 

oporów tarcia gwintów  

 

Wyznaczanie  współczynników  tarcia  w  połączeniu  śrubowym  przy  dokręcaniu  i 

odkręcaniu  nakrętki  polega  więc  na  określaniu  momentów  oporu  kluczem 

background image

dynamometrycznym  i  odczytywaniu  maksymalnego 

ugięcia  sprężyny  po  dokręceniu 

nakrętki w celu wyznaczenia siły napięcia wstępnego w połączeniu śrubowym, czyli siły 

rozciągającej śrubę i tym samym siły nacisku łba i nakrętki na współpracujące elementy.  

 

4. 

Instrukcja ćwiczenia  

a) 

Pomiary parametrów geometrycznych badanej śruby i nakrętki (średnice i podziałkę 

zaokrągląć do wymiarów nominalnych wg PN), odczyt zakrewsu i dokładności klucza 

dynamometry

cznego  i  dokładności  czujnika  zegarowego,  wypełnienie  tabeli  1 

formularza pomiarowego,  

b) wyznaczenie sztywności sprężyny talerzowej (na podstawie kilku pomiarów),  

c) wyznaczenie dopuszczalnej siły napięcia wstępnego (siły rozciągającej śrubę):  

o max

1

r

Q

A

k

 

,  

    

gdzie  pole  przekroju  rdzenia  śruby 

2

1

1

d

A

4

 

  (

1

d

  - 

wewnętrzna  średnica  gwintu 

śruby), 

e

r

e

R

k

x

 (

e

R

4,6 100

460 MPa

 

dla przykładowej klasy wytrzymałości śruby 

4.6, 

współczynnik  bezpieczeństwa 

e

x

=2,5),  współczynnik  uwzględniający  złożony 

stan naprężenia w śrubie przy dokręcaniu 

0,75 0,8

 

,  

d) wybór czterech stopni obciążenia śruby dla każdego przypadku badania (z podkładką 

6a  i  6b):             

o1

omax

Q

0,25 Q

o 2

omax

Q

0,5 Q

o3

omax

Q

0,75 Q

o 4

omax

Q

Q

  i 

przeliczenie sił na odpowiadające im wskazania czujnika zegarowego 

i

u

 ze wzoru:  

oi

i

Q

u

c

i

1, 2, 3, 4

c

 - 

sztywność sprężyny talerzowej,  

e)  przeprowadzenie  badania 

całkowitego  momentu  oporu  (tarcia),  czyli  w  gwintach 

śruby i nakrętki oraz na czołowej (oporowej) powierzchni nakrętki:  

  zmontowanie 

stanowiska z podkładką 6a,  

  wyznaczenie 

momentów  oporu  przy  dokręcaniu  i  odkręcaniu  nakrętki  kluczem 

dynamometrycznym 

dla  każdego  stopnia  obciążania  śruby  (odczytywanego  z 

czujnika zegarowego), zapis wy

ników pomiarów tabelce 2,  

f) przeprowadzenie badania momentu tarcia w gwintach śruby i nakrętki:  

 

zamiana podkładki 6a na 6b,  

background image

 

wyznaczenie  momentów  tarcia  przy  dokręcaniu  i  odkręcaniu  nakrętki  kluczem 

dynamometrycznym  dla  każdego  stopnia  obciążania  śruby  (odczytywanego  z 

czujnika zegarowego), zapis wyników pomiarów w tabeli 2,  

g) 

wykonanie  obliczeń  współczynników  tarcia  pozornego  dla  każdego  stopnia 

obciążenia:  

dokr i

1dokr i

2

oi

2 M

d

Q

,    

odkr i

1odkr i

2

oi

2 M

d

Q

,       

i

1, 2, 3, 4

,  

h) 

wykonanie obliczeń współczynników tarcia dla każdego stopnia obciążenia:  

1dokr i

1dokr i

n

i

n

i

n

cos

tg

cos

tg arc tg

cos

 

   

 

     

,        (10)  

1odkr i

1odkr i

n

i

n

i

n

cos

tg

cos

tg arc tg

cos

 

   

 

     

.        (11)  

gdzie 

n

tg

tg

cos

   

30

 

h

2

2

P

P

tg

d

d

 

 

 

 dla gwintu jednokrotnego,  

i) 

obliczenie  średniej  wartości  współczynników  tarcia 

1dokr

  i 

1odkr

  oraz  sprawdzenie 

czy 

są one równe 

1dokr

1odkr

 

,  

j) sprawdzenie 

wartości momentów dokręcenia połączenia śrubowego ze wzorów 8 i 9,  

k)  wykreślenie  zależności  pozornego  współczynnika  tarcia  dla  gwintów  połączenia  w 

zależności od wartości siły napięcia wstępnego,  

l) obliczenie sprawności połączenia i gwintów,  

dokr.gw

tg

tg

  

,           

odkr.gw

tg

tg

  

,  

uzysk.dokr

uzysk.dokr

dokr.calk

wloz.dokr

wloz.dokr

2

L

M

tg

L

M

tg

    

,  

                                                        

uzysk.odkr

uzysk.odkr

odkr.calk

wloz.odkr

wloz.odkr

2

L

M

1

1

1

L

M

tg

tg

 

  

,  

ł) opracowanie wniosków z ćwiczenia laboratoryjnego,  

m

) wykonanie sprawozdania z ćwiczenia (cel ćwiczenia, rysunek badanego połączenia 

śrubowego,  modele  połączeń  (równie  pochyłe)  z  ważniejszymi  wzorami,  formularz 

pomiarowy, sprawdzenie wartości momentów dokręcenia połączenia śrubowego ze 

wzorów  8  i  9,  wykres  przebiegu  pozornego  współczynnika  tarcia  dla  gwintów 

połączenia w zależności od wartości siły napięcia wstępnego, wyprowadzić 4 wzory 

na sprawności - obliczenie sprawności połączenia śrubowego i gwintów, obliczenie 

błędu pomiarów, szczegółowe wnioski.  

background image

Formularz pomiarowy  

Tabela 1. Dane potrzebne do przeprowadzenia ćwiczenia laboratoryjnego  

Parametr 

Oznaczenie

 

Wartość 

Średnica gwintu śruby i nakrętki  

12 

 

Średnica podziałowa gwintu  

2

d

 

10,86 

 

Średnica wewnętrzna gwintu 

1

d

 

9,722 

 

Skok gwintu  

h

P

 

1,75 

 

Podziałka gwintu  

 

Kąt zarysu gwintu  

2

 

 

60 

Kąt wzniosu linii śrubowej  

 

2,9 

 

Wymiar pod klucz nakrętki  

19 

 

Średnica otworu w podkładce wymiennej 6a i 6b  

o

d

 

12 

 

Zakres pomiarowy klucza dynamometrycznego  

 

30 Nm 

Dokładność klucza dynamometrycznego  

 

 

Dokładność czujnika zegarowego  

 

0.01 

Sztywność układu sprężyn talerzowych w N/mm  

c (x) 

26,993 x

3

-161,888 x

+262,63 x+383,49 + 

17,742/x 

 

Półkąt zarysu gwintu w przekroju normalnym  

n

 

30 

Dopuszczalna siła napięcia wstępnego w N  

o max

Q

 

2500 

Siła na I stopniu obciążania w N  

o max

0,25 Q

 

625 

background image

Siła na II stopniu obciążania w N  

o max

0,5 Q

 

1250 

Siła na III stopniu obciążania  

o max

0,75 Q

 

1875 

Siła na IV stopniu obciżania  

o max

Q

 

2500 

Ustawienie czujnika na I stopniu obciążania  

1

u

 

0.11 

Ustawienie czujnika 

na II stopniu obciążania 

2

u

 

0.24 

Ustawienie czujnika 

na III stopniu obciążania 

3

u

 

0,37 

Ustawienie czujnika 

na IV stopniu obciążania 

4

u

 

0.49 

Uwagi:  

 

Tabela 2. Wyniki badań całkowitego momentu tarcia dla średnicy śruby M10 

oraz sztywności sprężyny c(x) 

Siła napięcia 

wstępnego  

w N 

Wartości momentu dokręcenia 

Wartości momentu odkręcenia 

z pomiaru 

średnia 

z pomiaru 

średnia 

 

 

625 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1250 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1875 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

2500 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwagi:  

 

Tabela 3

. Wyniki badań momentu tarcia w gwintach połączenia dla średnicy śruby 

M12  o

raz sztywności sprężyny  c(x)  

Siła napięcia 

wstępnego  

w N 

Wartości momentu dokręcenia 

Wartości momentu odkręcenia 

z pomiaru 

N m

 

średnia w 

N m

 

z pomiaru 

N m

 

średnia w 

N m

 

 

 

625 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1250 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1875 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2500 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwagi:  

 

background image

Tabela 4. Wyniki 

obliczeń z pomiarów dla średnicy śruby M10  oraz sztywności 

sprężyny  c(x) 

 

 

 

 

Siła napięcia 

wstępnego  

w [N] 

Moment 

tarcia 

gwintów 

połączenia  

Moment 

tarcia na 

czole 

nakrętki  

1

 

1

 

2

  

dokr 

odkr 

dokr  odkr 

dokr 

odkr 

dokr 

odkr 

dokr 

odkr 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwagi:  

 

 

Data wykonania badania: ..........................  

Wykonawcy badań:  

Imię i Nazwisko 

Podpisy 

 

 

 

 

 

Zatwierdzaj

ący: .........................................................Data: .................................... 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Pytania kontrolne:  

1) 

Podstawowe rodzaje połączeń śrubowych (szkice)  

2) 

Sposoby kontrolowanego dokręcania nakrętki  

3)  Geometryczne 

parametry 

n

ajczęściej  stosowanych  gwintów  zewnętrznych 

wewnętrznych w połączeniach i mechanizmach  

4)  Graficzne  (szkice)  przedstawienie  z

ależności  średnicy  zewnętrznej  i  wewnętrznej 

gwintów  metrycznych  od  skoku  dla  przypadków:  a) 

d

const

1

d

?

,

P

var

;  b) 

1

d

const

d

?

P

var

  (potrzebne  wymiary  z  PN),  wnioski 

odnośnie  przekroju 

rdzenia śruby i nośności śruby, zalety i wady gwintów drobnozwojnych  

5) 

Wyprowadzenie  wzorów  na  momenty  obrotowe  potrzebne  do  dokręcenia  i 

odkręcenia połączenia śrubowego wg modelu przybliżonego i dokładnego  

6) 

Sprawność  połączenia  gwintowego;  wyprowadzenie  zależności  na  optymalną 

wartość kąta pochylenia linii śrubowej 

opt

 (

opt

)  

7)  Samo

hamowność  połączenia  gwintowego;  dowód,  że  sprawność  połączenia 

samohamownego 

0

 

  

8)  Sposoby 

zabezpieczania połączeń śrubowych przed samoluzowaniem się (szkice)  

9) 

Wykres pracy połączenia śrubowego – wyznaczenie siły napięcia wstępnego  

10) Szkic stanowiska badawc

zego oraz zasada jego działania.  

                                                                                       

Opracował: J. Drewniak