Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti Přednáška 5
Šrouby a šroubové spoje For want of a nail the shoe is lost; For want of a shoe the horse is lost; And, for want of a horse the rider is lost. GEORGE HERBERT
Obsah Šrouby a šroubové spoje Rozdělení šroubů. Příklady užití šroubových spojů. Tvary závitů a jejich rozěry. Výroba závitů. Pohybové šrouby. Silové poěry na šroubu se čtvercový závite. Tření u pohybových šroubů. Účinnost pohybových šroubů. Pevnostní výpočet pohybových šroubů. Materiál a pevnost šroubů. Druhy šroubů. Matice.
Šrouby Šrouby se používají buď k rozebíratelnéu spojení strojních součástí (šrouby spojovací a upevňovací) nebo k přeěně otáčivého pohybu na posuvný (šrouby pohybové). Strojní součásti je ožné také spojit poocí závitových spojů, kdy je závit vytvořen přío na spojovaných součástech. Šrouby spojovací a upevňovací Šrouby pohybové
Příklady užití spojovacích a upevňovacích šroubů
Příklady užití pohybových šroubů
Tvary závitů a jejich rozěry Funkční část šroubu tvoří závit, který vznikne pohybe tvořícího profilu daného tvaru po šroubovici. Závit ůže být vnější (šroub) nebo vnitřní (atice). Podle počtu tvořících profilů se rozlišují závity jednochodé a vícechodé. Metrický závit M, MJ Jedno-, dvou- a tříchodý závit Závity pohybových šroubů čtvercový lichoběžníkový
Metrický závit
Lichoběžníkový rovnoraenný závit
Porovnání závitů etrického a unified V USA a ve Velké Británii se používá závit unified (UN), který á obdobný profil jako závit etrický. Jeho rozěry se však udávají v palcích. Podobně jako etrický závit, který existuje ve dvou provedeních M a MJ, závit unified á také dva profily označované jako UN a UNR. Profily MJ a UNR ají zaoblené dno závitu, což vede ke snížení koncentrace napětí a prodloužení únavového života. Metrický závit ůže být buď s hrubou nebo jenou roztečí, závit unified s roztečí C (coarse-pitch), F (fine-pitch) a EF (extra-fine pitch). Označování závitů Lícování závitů Metrický M12 1,75 rozteč v velký průěr v Unified 5/8 in-18 UNRF Inch series Metric series Bolts Nuts Bolts Nuts 1A 2A 3A 1B 2B 3B 8g 6g 8h 7H 6H 5H Výběr z tabulky etrických závitů počet závitů na palec velký průěr v palcích
Výroba závitů třískový obrábění Závity se vyrábějí buď řezání nebo frézování. Řezání závitů na soustruhu se používá při výrobě přesných závitů. Pro řezání závitů alých průěrů se používají závitníky a závitové čelisti. Závitové hlavy se používají u závitořezů. V sériové a hroadné výrobě se závity zpravidla frézují. Dosahované stupně přesnosti se pohybují v rozezí 6 8, drsnost Ra je 3,2. Veli přesné závity (IT 4, 5; Ra 3,2) se dokončují broušení. Frézování závitů hřebenovou frézou Frézování závitů kotoučovou frézou Sada závitníků a závitových čelistí
Výroba závitů tváření Tváření závitů je nejproduktivnější výrobní technologie, která á oproti výrobě závitů třískový obrábění noho předností. Výrobní časy jsou podstatně kratší (rychlost válcování je až 90 /in zatíco rychlost řezání je 10 /in), přičež tvářený závit á výhodnější průběh vláken, což vede ke zvýšení statické i únavové pevnosti závitu. Tlake při tváření se navíc zvyšuje odolnost závitu při otěru. radiální válcování závitu řezaný závit tvářený závit
Pohybové šrouby Pohybové šrouby slouží k přeěně otáčivého pohybu na posuvný a k přeěně kroutícího oentu v osovou sílu. Tyto šrouby ají čtvercový nebo lichoběžníkový (rovnoraenný či nerovnoraenný) závit a jsou zpravidla několikachodé. Šroubový zvedák Lineární pohon Úhel stoupání tg λ p πd
Silové poěry na šroubu se čtvercový závite Zvedání břeene Spouštění břeene μn y x μn F P N sin λ μn cosλ 0 x R F P N sin λ + μn cosλ 0 x L F y F + μn sin λ N cosλ 0 F y F μn sin λ N cosλ 0 ( sin λ + μcosλ) P F ( μcosλ sin λ) R F cosλ μsin λ P L cosλ + μsin λ P R ( l + πμd ) F ( πμd l) F πd μl P L πd + μl T R P R d Fd l + πμd Fd Fd πμd l T L 2 2 πd μl 2 2 πd + μl
Tření u pohybových šroubů Za určitých okolností, kdy úhel stoupání λ je velký nebo součinitel tření μ je alý, ůže se šroub působení síly F saovolně roztočit. V těchto případech je kroutící oent T L záporný nebo roven nule. Říkáe, že šroub není saosvorný. Podínka saosvornosti T L Fd 2 πμd l πd + μl πμd μ > 0 > l > Experientální práce ukázaly, že hodnota součinitele tření μ závisí zejéna na použité azivu. Pro ocelový šroub a bronzovou atici je asi 0,1 až 0,15. tg λ U lichoběžníkového závitu není síla F kolá k profilu závitu, nýbrž je skloněná pod úhle α. To vede ke zvýšení třecí síly. T T Třecí oent ezi hlavicí a vřetene T C Fμ d C 2 C R L Fd 2 Fd 2 lcosα + πμd πd cos α μl πμ πd μ > tg λ cosα lcosα cosα + μl d
Účinnost pohybových šroubů Účinnost η je definována jako poěr práce odevzdávané soustavou W out k práci soustavě přiváděné W in. Práce je rovna součinu kroutícího oentu a pootočení. Pro jednu otáčku šroubu platí: W out Fl, 2πT Účinnost šroubu s lichoběžníkový závite η W W out in W in Fl 2πT l πd cos α μl η R π d lcosα + πμd η R cos α μtg λ cosα + μcotg λ Pro čtvercový závit, kdy α 0 je účinnost funkcí pouze geoetrie závitu a součinitele tření. η R 1 μtg λ 1+ μcotg λ Podstatného zvýšení účinnosti lze dosáhnout použití kuličkového šroubu.
Pevnostní výpočet pohybových šroubů Napjatost v pohybových šroubech počítáe tak, že pohybový šroub odelujee poocí prutu. Pohybový šroub je naáhán silou F na tah či tlak a oente T na krut. Delší šrouby ohou být naáhané také na vzpěr. Tlak v závitech ezi šroube a aticí nesí překročit přípustnou hodnotu. Průřez pro výpočet napětí (tensile-stress area) Norálové napětí v tahu či tlaku Sykové napětí v krutu Tlak v závitech 4 F p π k σ F A t TR 16T τ k W π d 2 ( d D ) p 2 D i 1 R 3 3 A t π 4 d + 1 2 d 2 pro etrický závit σ red 2 σ d 1 d 1,226869 d 2 d 0,649519 Redukované napětí (podínka ax τ) 2 2 + 4τ k σ D Pro ocelový šroub a bronzovou (ocelovou) atici se hodnota dovoleného tlaku p D pohybuje ezi 5 až 15 (4 až 12) MPa v závislosti na rychlosti otáčení. p p
Šroubový zvedák
Lineární pohon
Materiál a pevnost šroubů Noralizované šrouby a atice jsou vyráběny nejčastěji z konstrukčních, ušlechtilých a nízkolegovaných ocelí. Rozhodující paraetre pro výběr šroubu je iniální ez kluzu R el (lower yield stress) nebo sluvní ez kluzu R p0,2 (proof stress) definovaná ISO, SAE nebo ASTM. Mechanické vlastnosti šroubů dle ISO 898-1 (výběr) Značky pevnostních tříd 10.9 10 (R el /R ) 1/100 R v MPa (1000 MPa) Označování šroubů dle ISO Stanovení dovoleného napětí σ D R nebo R el p0,2 k
Druhy šroubů Šroub se šestihrannou hlavou (ISO 4014) Závrtný šroub 1 2 3 Místa koncentrace napětí: 1Přechod válcové části šroubu do hlavy (četnost poruchy 15 %) 2Výběh závitu (četnost poruchy 20 %) 3 Závit šroubu v ístě prvního nosného závitu atice (četnost poruchy 65 %) Délka závitu v 2d + 6 L 125 d 48 2d + 12 125 < L 200 2d + 25 L > 200 Závrtný šroub prochází horní součástí s vůlí, do spodní součásti je zašroubován. Hloubka zavrtání šroubu do oceli je obvykle 1d.
Matice Zatížení není rovnoěrně rozloženo na všechny závity atice, nýbrž první závity přenášejí přibližně třetinu osové síly. To vede k plastické deforaci, a proto atice nikdy nesí být po deontáži opětovně použita. Šestihranné atice Doporučené kobinace ateriálů Materiál atic dle ISO 898-2 Materiál ocelových atic je podle echanických vlastností rozdělen do devíti pevnostních tříd 04, 05, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. Číslo třídy odpovídá 1/100 sluvní eze kluzu R p0,2. Třídy 04 a 05 ají sníženou únosnost. Označování atic dle ISO