-1-
SLOVO ÚVODEM Vážené kolegyně, vážení kolegové! Pomineme-li požadavky legislativy, kde vyhláška č. 298/2005 Sb. ve znění pozdějších předpisů vyžaduje u technického dozoru pro vedení důlních a podzemních děl odbornou kvalifikaci, je celoživotní vzdělání za všech okolností důležitou investicí do zaměstnanců. U naší společnosti se to týká především vedoucích provozoven, mistrů a techniků. Lidé jsou hlavním bohatstvím každé firmy a měli by vždy stát v centru jejího zájmu. I po formálním ukončení střední či vysoké školy je velmi důležité, aby byli zaměstnanci v kontaktu s novinkami ve svém oboru. Vzdělání je v současnosti artiklem, který rychle zastarává, hovoří se dokonce o tzv. poločasu rozpadu vzdělání, tedy době, za kterou vzdělání nebo informace ztrácí svoji hodnotu. Jsem velmi rád, že se ve spolupráci mezi MŠMT, společností Českomoravský štěrk, a.s. a Střední průmyslovou školou kamenickou a sochařskou v Hořicích podařilo vytvořit výukový program ušitý na tělo pro naše zaměstnance. Jsem přesvědčený, že ucelené vzdělání, které zde naši zaměstnanci získají, jim poskytne potřebný vhled do problematiky a obohatí je nejen profesně, ale i občansky, protože celoživotní vzdělávání je, mimo jiné, i základním nástrojem rozvoje občanství a sociální soudržnosti. Přeji všem studentům hodně entuziasmu, vytrvalosti a radosti z nově nabytých poznatků. Marek Novotný předseda představenstva Slovo úvodem pro hornické činnosti a činnosti vykonávané hornickým způsobem bude možné v modifikované podobě přečíst u šestnácti odborných učebnic. Nejvýznamnějším počinem pro jejich vznik je aktivita progresivních firem v České republice. Dominantní jsou skupina MND a Českomoravský štěrk, a.s. Některé učebnice budou obecnější a budou odborně pokrývat dva směry vzdělání: Těžbu a zpracování ropy a zemního plynu a Těžbu a zpracování kamene. Jiné budou sloužit pro užší specializaci. Vedle učebnic, které jsou know how školy projekt zahrnuje primárně kompletní kurikulární reformu, tedy koncepci rámcového vzdělávacího programu a navazujících školních vzdělávacích programů. Spuštění celého projektu se prostě nevejde do zaběhnutých mechanizmů vzdělávací soustavy. Proto jak vlastní výuka, tak její formy, metody a především publikační činnost probíhá v režimu pokusného ověřování, které monitoruje ministerstvo školství. Odvaha silných firem investovat do vzdělání u statisticky vzácných oborů v celé jeho šíři nemá v ČR obdoby. Pro školu samotnou je to historicky nejvýznamnější společenská zakázka a příležitost být nositelem významných inovací v prostoru sekundárního vzdělávání. Josef Moravec ředitel školy -2-
PŘEDMLUVA Učebnice Stavba a provoz strojů má sloužit k zavedenému předmětu Stavba a provoz strojů, jehož obsahová náplň je obsažena v rámcovém vzdělávacím programu Geotechnika a navazujících školních vzdělávacích programech Těžba a zpracování ropy a zemního plynu a Těžba a zpracování kamene. Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že po útlumu tradičních hornických oborů po roce 1990 dochází k jejich novému oživení a s tím souvisí poptávka po kvalifikovaných pracovnících nejrůznějších hornických oborů a činností prováděných hornickým způsobem a představuje velmi důležitou kompetenci u stupně vzdělání - střední s maturitou. Pro studium modernizovaných hornických oborů na středních školách však nejsou k dispozici vhodné učebnice, které by vyhovovaly obsahem i grafickým zpracováním současným požadavkům. V souvislosti s harmonizací českých technických norem s evropskými učebnice rychle zastarávají. Cílem předmětu Stavba a provoz strojů je seznámení studentů se základy strojírenství včetně aplikací mezinárodních norem ISO a EN. Probráním funkce a použití základních strojních součástí, které se vyskytují ve strojích a zařízeních, mechanizmů, z nichž zejména tekutinové mají vysoké využití v řídící, regulační a automatizační technice, jsou poskytnuty studentům základní informace o konstrukci, vlastnostech a poznatcích pro použití strojních prvků. Obsahově pojednává o hydraulických mechanizmech, pneumatických mechanizmech i o mechanických převodech. V neposlední řadě má předmět za úkol popsat funkci a údržbu v jednotlivých strojních součástí, mechanizmů a převodů. Obsah knihy je rozdělen do15 ti kapitol. Je upraven v souladu s českými technickými normami a českými předpisy v oblasti bezpečnosti práce. Kniha je dále v textu doplněna mnoha odkazy na ČSN. Každá kapitola na konci je doplněna otázkami pro samostudium. Publikace obsahuje mnoho nákresů, diagramů i barevných obrázků, které činí knihu velmi názornou a snadno pochopitelnou i pro zájemce z jiných technických oborů. Pavol Ondrejkovič autor -3-
OBSAH 1. SPOJE A SPOJOVÁNÍ...8 1.1 SILOVÉ (TŘECÍ) SPOJE... 8 1.2 TVAROVÉ SPOJE... 10 1.3 PŘEDEPJATÉ TVAROVÉ SPOJE... 11 1.4 SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM... 11 2. DRUHY MECHANICKÝCH SPOJENÍ...12 2.1 ŠROUBOVÉ SPOJE... 12 2.1.1 ŠROUBOVÉ SPOJE A JEJICH ČÁSTI... 12 2.1.2 LÍCOVÁNÍ ZÁVITŮ... 13 2.1.3 ZOBRAZOVÁNÍ A KÓTOVÁNÍ ZÁVITŮ... 16 2.1.4 DRUHY ŠROUBOVÝCH SPOJŮ... 17 2.1.5 TVARY MATIC A PODLOŽEK... 22 2.1.6 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÝCH SPOJŮ... 23 2.1.7 SILOVÉ POMĚRY NA ŠROUBU... 24 2.1.8 PŘÍČINY PORUCH ŠROUBOVÝCH SPOJŮ A JEJICH ODSTRAŇOVÁNÍ... 27 2.1.9 ŠROUBOVÁ POLE... 28 2.1.10 POHYBOVÉ ŠROUBY... 29 2.1.11 ŠROUBOVÝ MECHANIZMUS S VALIVÝMI TĚLÍSKY KULIČKOVÝ ŠROUB... 30 2.2 SPOJE KOLÍKY A ČEPY... 31 2.2.1 SPOJE KOLÍKOVÉ... 31 2.3 SPOJE ČEPOVÉ... 40 2.3.1 DRUHY A OZNAČOVÁNÍ SPOJOVACÍCH ČEPŮ... 40 2.3.2 VÝPOČET ČEPŮ... 42 2.4 ZÁVLAČKY... 48 2.5 POJISTNÉ A STAVĚCÍ KROUŽKY... 49 2.6 SPOJE HŘÍDELE S NÁBOJEM... 49 2.6.1 FUNKCE HŘÍDELŮ... 49 2.6.2 TVARY A KONSTRUKCE HŘÍDELŮ... 50 2.6.2.1 HLADKÉ HŘÍDELE... 50 2.6.2.2 OSAZENÉ HŘÍDELE... 50 2.6.2.3 DUTÉ HŘÍDELE... 51 2.6.2.4 OHYBNÉ HŘÍDELE... 53 2.6.3 MATERIÁLY JEJICH MECHANICKÉ VLASTNOSTI... 53 2.6.4 DIMENZOVÁNÍ HŘÍDELŮ... 55 2.6.4.1 NOSNÉ HŘÍDELE... 55 2.6.4.2 HYBNÉ HŘÍDELE... 55 2.6.5 KONTROLA STATICKÉ BEZPEČNOSTI... 56 2.7 NÁBOJE... 58 2.8 SPOJE HŘÍDEL NÁBOJ... 59 2.8.1 TVAROVÁ SPOJENÍ... 59 2.8.4.1 KLÍNY A PERA... 60 2.8.4.2 SPOJ DRÁŽKOVÝM HŘÍDELEM... 70 2.8.5 PŘEDEPJATÉ SPOJE S TVAROVÝM STYKEM... 86 2.8.5.1 SPOJE S PODÉLNÝMI KLÍNY... 87 2.8.6 SPOJE SE SILOVÝM STYKEM SVĚRNÉ SPOJE... 88 4.1.3.1 SVĚRNÉ SPOJE ŠROUBEM... 88 4.1.3.2 SVĚRNÝ SPOJ S KUŽELEM... 89 4.1.3.3 SPOJE ROZPÍNACÍMI KROUŽKY... 91 4.1.3.4 TLAKOVÉ SPOJE... 92 2.9 ZÁPADKOVÉ SPOJE... 95 3. NÝTOVÉ SPOJE...96 3.1 PRINCIP A POUŽITÍ... 96 3.2 TVARY NÝTŮ... 96 3.3 MATERIÁLY NÝTŮ... 96 3.4 TECHNOLOGIE NÝTOVÁNÍ... 97 3.5 ROZDĚLENÍ NÝTOVÝCH SPOJŮ... 98-4-
3.6 SPECIÁLNÍ ZPŮSOBY NÝTOVÁNÍ... 99 3.7 VÝPOČET NÝTOVÝCH SPOJŮ... 99 4. SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM...103 4.1 SVAROVÉ SPOJE... 103 8.2.1 SVAŘOVÁNÍ PLAMENEM... 103 8.2.2 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM... 106 8.2.3 SVAŘOVÁNÍ PAPRSKEM... 110 4.1.3.1 SVAŘOVÁNÍ LASEROVÝM PAPRSKEM... 110 4.1.3.2 SVAŘOVÁNÍ ELEKTRONOVÝM PAPRSKEM... 111 8.2.4 TLAKOVÉ SVAŘOVÁNÍ... 111 4.1.4.1 ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ... 111 4.1.4.2 TŘECÍ (FRIKČNÍ SVAŘOVÁNÍ)... 112 4.1.4.3 ALUMINOTERMICKÉ SVAŘOVÁNÍ... 112 4.1.4.4 INDUKČNÍ SVAŘOVÁNÍ... 112 4.1.4.5 SVAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKEM... 112 4.2 LEPENÍ... 112 4.3 PÁJENÍ... 115 8.2.5 ZÁKLADY PÁJENÍ... 115 8.2.6 DRUHY A ZPŮSOBY PÁJENÍ... 117 8.2.7 PŘÍKLAD PÁJENÍ... 121 5. PRUŽINY A PRUŽNÁ SPOJENÍ...127 5.1 VELIČINY PRUŽIN... 127 5.1.1 CHARAKTERISTIKY PRUŽIN... 127 5.1.2 ENERGIE A ÚČINNOST PRUŽINY... 127 5.1.3 MATERIÁLY PRUŽIN... 127 5.2 KOVOVÉ PRUŽINY... 128 5.2.1 DRUHY PRUŽIN, CHARAKTERISTIKA... 128 5.2.2 ZÁSADY NÁVRHU PRUŽIN... 130 5.2.2.1 POSTUP VÝPOČTU KOVOVÝCH PRUŽIN:... 131 6. PRUŽINY NAMÁHANÉ TAHEM A TLAKEM...137 6.1 KROUŽKOVÁ PRUŽINA... 137 6.2 TALÍŘOVÁ PRUŽINA... 137 6.3 PRYŽOVÉ PRUŽINY... 138 6.4 TEKUTINOVÉ PRUŽINY... 138 6.5 PARALELNÍ USPOŘÁDANÍ PRUŽIN... 138 7. DRUHY ZVLÁŠTNÍCH SPOJŮ...140 8. ULOŽENÍ...140 8.1 LOŽISKA ROZDĚLENÍ LOŽISEK... 140 8.1.2 ROZDĚLENÍ LOŽISEK... 141 14.2.1.1 KLUZNÁ LOŽISKA... 141 14.2.1.2 VALIVÁ LOŽISKA... 149 14.2.1.3 MAGNETICKÁ LOŽISKA... 159 9. KLUZNÁ A VALIVÁ VEDENÍ...160 9.1 TVARY VEDENÍ... 161 9.2 OTEVŘENÁ A UZAVŘENÁ VEDENÍ... 161 9.3 VALIVÁ A KLUZNÁ VEDENÍ... 162 10. TĚSNĚNÍ...164 10.1 FUNKCE TĚSNĚNÍ... 164 10.2 DRUHY TĚSNĚNÍ... 165 11.2.1 STATICKÁ TĚSNĚNÍ... 165 11. SPOJKY...167 11.1 PEVNÉ SPOJKY... 168 11.1.1 TUHÉ SPOJKY... 168-5-
11.1.2 TORZNĚ TUHÉ SPOJKY... 168 11.1.3 PRUŽNÉ SPOJKY... 170 11.2 POHYBLIVÉ SPOJKY... 171 12.2.1 VÝSUVNÉ TVAROVÉ SPOJKY... 171 12.2.2 TŘECÍ VÝSUVNÉ SPOJKY... 171 12.2.3 SPECIÁLNÍ SPOJKY... 172 12. HŘÍDELOVÉ BRZDY...174 12.1 MECHANICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY... 174 13.4.1 ČELISŤOVÉ BRZDY... 174 13.4.2 ŠPALÍKOVÉ BRZDY... 175 13.4.3 PÁSOVÉ BRZDY... 175 13.4.4 KUŽELOVÉ BRZDY... 176 13.4.5 KOTOUČOVÉ BRZDY... 177 13.4.6 LAMELOVÉ BRZDY... 178 13.4.7 HYDRODYNAMICKÉ HŘÍDELOVÉ BRZDY... 178 13.4.8 ELEKTRICKÉ BRZDY... 178 13. VEDENÍ TEKUTINY...179 13.1 VOLBA PRŮTOKOVÉ RYCHLOSTI... 179 13.2 POTRUBÍ... 179 13.2.1 HLAVNÍ ČÁSTI POTRUBÍ... 179 13.2.2 ROZDĚLENÍ POTRUBÍ... 180 13.2.3 ZÁKLADNÍ VELIČINY POTRUBÍ... 180 13.2.4 POTRUBÍ V HYDRAULICKÝCH OBVODECH... 181 13.3 HADICE... 181 13.4 ARMATURY... 183 14.1.1 KLAPKY... 183 14.1.2 KOHOUTY... 183 14.1.3 VENTILY... 183 14.1.4 ŠOUPÁTKA... 183 14.1.5 POJISTNÉ VENTILY... 183 14.1.6 SACÍ KOŠ... 183 14.1.7 ODLUČOVAČ VODY... 183 14. MECHANIZMY...185 14.1 TEKUTINOVÉ MECHANIZMY... 186 14.2 HYDRAULICKÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY... 186 14.2.1 ČÁSTI HYDRAULICKÝCH ZAŘÍZENÍ... 187 14.2.1.1 HYDRAULICKÉ KAPALINY... 187 14.2.1.2 HYDRAULICKÁ ČERPADLA... 187 14.2.1.3 HYDRAULICKÉ POHONY... 189 14.2.1.4 VENTILY... 192 14.3 PNEUMATICKÉ ŘÍDÍCÍ SYSTÉMY (MECHANIZMY)... 193 15.1.1 ČÁSTI PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ... 193 15.1.2 JEDNOTKY PNEUMATICKÝCH SYSTÉMŮ... 194 15.1.3 PNEUMATICKÉ POHONY... 194 15. PŘEVODY...196 15.1 ŘEMENOVÉ PŘEVODY... 197 15.2 ŘETĚZOVÉ PŘEVODY... 200 15.3 PŘEVODY OZUBENÝMI KOLY... 202 16. POUŽITÁ LITERATURA...208 17. ODBORNÉ ČASOPISY...208 18. INTERNET...208-6-
POUŽITÉ ZNAČKY A SYMBOLY Značka Značka Název Rozměr Název veličiny veličina jednotky jednotky A, S m 2 čtverečný metr m plocha, povrch V m 3 krychlový metr m objem b m metr m šířka D, D m metr m průměr h m metr m výška, hloubka l, L m metr m délka r, R m metr m poloměr s m metr m délka dráhy, délka segmentu a m/s 2 metr za sekundu ms -2 zrychlení na druhou g m/s 2 metr za sekundu na druhou ms -2 tíhové zrychlení, (volného pádu) m kg kilogram kg hmotnost ρ kg m -3 kilogram na hustota, hmotnost na krychlový metr jednotku objemu I, J kg.m 2 kilogram krát metr na druhou moment setrvačnosti F, (F g ) N newton m kg s -2 síla, (tíha) M, (T) N.m newtonmetr m 2 kg s -2 moment síly; moment točivý E J joule m 2 kg s -2 energie (všechny druhy) W, (A) J joule m 2 kg s -2 práce P W watt m 2 kg s 3 mechanický výkon η 1 jedna účinnost (eta) µ 1 jedna činitel tření (poměrná hodnota) F t N newton m kg s -2 třecí síla F o N newton m kg s -2 síla předpětí F n N newton m kg s -2 normálová síla F a N newton m kg s -2 osová síla M o N.mm (N.m) newtonmetr N.mm ohybový moment P W(kW) wat wat výkon υ 1 jedna součinitel sevření σ MPa megapascal MPa normálové napětí σ MPa megapascal MPa dovolené napětí τ MPa megapascal MPa tangenciální napětí τ MPa megapascal MPa dovolené napětí -7-
SPOJE A SPOJOVÁNÍ Stroje, zařízení a přístroje se zpravidla skládají z mnoha dílů (obr. 1). Při výrobě nebo při montáži jsou jednotlivé díly vzájemně spojovány tak, aby jako celek plnily požadované funkce. Spojením dílů z téhož materiálu vznikne někdy jediný díl a původní části pak nejsou označovány jako díly. Mezi díly se přes spoje mohou přenášet síly nebo točivé momenty. Např. na obrázku 1 se z motorů přenáší točivý moment na převodovky a ty pak pohánějí další zařízení. Obr. 1. Příklad strojního zařízení sestaveného z mnoha dílů Sestavování soudržného celku ze součástí (dílů) se nazývá spojování. Zajištění vzájemné polohy součástí se označuje jako spojení nebo spoj. Spoj vytváří nebo posiluje soudržnost součástí. S ohledem na demontáž se rozlišují rozebíratelná spojení, u nichž lze demontáž provést bez porušení nebo odstraněním spojovacího členu a nerozebíratelná spojení, u nichž je možná demontáž pouze s porušením základních součástí nebo spojovacího materiálu. Soudržnost spojovaných součástí zajišťují silové spoje, tvarové spoje a materiálové spoje. 1.1 SILOVÉ (TŘECÍ) SPOJE Silový spoj nebo též spojení třením, přenáší síly rovnoběžné se styčnými plochami. Tření (třecí síla) závisí na přítlační síle a koeficientu tření, který je velký u drsných ploch. Koeficient tření závisí na: vlastnostech jednotlivých povrchů vzájemném chování (párování) povrchů mazání třecích ploch druhu tření Při stejné přítlačné síle se přenese třením hrubých povrchů dílů vetší síla, než při hladkém povrchu dílů. -8-
Mezi nemazanými díly působí menší tření než mezi suchými (nenamazanými) díly. Tření je tak odlišné při klidu a při vzájemném pohybu. Třecí síla působí proti smykové síle, resp. proti směru smykového pohybu. K silovým spojům patří například spoje realizované pomocí šroubů, klínů, nebo kuželové spoje, spoje s třecí spojkou, uložení s přesahem, rozpěrnými kroužky atd.(obr. 2): Třecí spoje vzájemně přitlačovaných dílů: Obr. 2. Silové spoje U silových spojů lze přenášet mezi hřídelem a nábojem nejen točivý moment, ale i osové síly, a to třením. Třením vyvolané síly a momenty způsobují odpor proti vnějšímu namáhání. Podle Columbova zákona platí (obr.3) pro silový spoj při působení osové síly : F a < F t = µ 0. F n = µ 0. p. A s (1) a při přenosu točivého momentu: M k < M t = F t. d/2 = µ 0. F n. d/2 = µ 0. p. A s. d/2 (2) Obr. 3. Silový spoj hřídele s nábojem a) podélná třecí síla F tl při působení osové síly F a, obvodové zatížení q a = F a /(π.d 1 ), tlak ve spáře p p = F n ú A T, plocha spáry A t = π.d T.L T ; b) obvodová třecí síla F to při přenosu M k. Nerovnosti v rovnicích (1) a (2) možno nahradit bezpečností proti skluzu: F t = k s. F n popř. M t = F t. d/2 = µ 0. F n. d/2 = µ 0. p. A s. d/2 (3) k s ~ 1,5 pro klidné zatížení, k s ~ 1.8 pro míjivé zatížení k s ~ 2,2 pro střídavé zatížení Ve vztazích (1), (2) a (3) značí (obr. 4.2): -9-
F t třecí sílu, F n normálná síla; F n = p. A s, p stykový tlak ve spáře, A s styková plocha; A s = π. d. l, µ 0 součinitel tření za klidu; podle ČSN 01 4216 se místo µ 0 zavádí součinitel sevření ν, který závisí nejen na součiniteli smykového tření, ale i na úchylce tvaru, na stejnorodosti materiálu, na způsobu provedení silového spoje atd. (tab. 1). U válcových svěrných a všech druhů kuželových spojů je tření vyvoláno vnějšími normálovými silami vyvozenými šrouby, zděřemi, kuželem, nebo kuželovými kroužky. Vnitřní normálové síly mají za následek elastické chování hřídele a náboje. Vznikají u tlakových spojů v důsledku uložení s přesahem. Ve styku vzniká tlak, který nesmí překročit dovolenou hodnotu p d. 1.2 TVAROVÉ SPOJE Tvarový spoj je založen na takovém tvarování dílů, že do sebe tvarově zapadají a stýkají se co největší možnou, resp. pro funkci spoje dostatečnou plochou. Přenos celého točivého momentu se děje unášečem. Tím mohou být do sebe zabírající profily hřídele a náboje (přímé spojení), nebo vložené unášecí elementy jako kolíky nebo pera (nepřímé spojení). U těchto spojů nenastává téměř žádné přídavné napětí v náboji v důsledku předpětí. Spoj je namáhán na otlačení, smyk a popř. ohyb, přičemž pro dimenzování je směrodatné otlačení v měkčím ze spojovaných materiálů. Díry pro kolíky, drážky per a profilů způsobují v hřídeli vrubový účinek. Proto tyto průřezy je nutno kontrolovat na tvarovou pevnost. V případě přenosu točivého momentu perem na hřídeli se přenášejí síly mezi plochami drážek a plochami. Tvarové spoje mohou být vytvořeny například těsnými pery, drážkovanými hřídeli a náboji, lícovanými šrouby, kolíky, čepy, nýty atd. Příklady tvarového spojení (obr. 4 až 8): -10-
Obr.4. Spojení čepem Obr. 5. Spoj ozubeného kola s drážkovým hřídelem Obr. 6. Spojení kolíkem Obr. 7. Spojení drážkováním Obr. 8. Spojení lícovaným šroubem 1.3 PŘEDEPJATÉ TVAROVÉ SPOJE Při přenosu momentu tvarovým předepjatým spojem se při narůstání momentu z nulové hodnoty uplatňují nejdříve třecí síly. Vsunutý klín napíná materiál hřídele i dílu obepínajícího hřídel (náboje) tlakem v místě klínu a v místě protilehlého styku hřídele s nábojem tak, jak je to na obrázku 4. Po překročení třecí síly se moment přenáší převážně tlakovými silami mezi klínem a stěnami drážky a stejně velkými silami doplňujícími dvojici sil vytvářející moment s osou mimo osu hřídele. K tvarovým třecím spojům patří klínové spoje, spoje čelným ozubením, kuželové spoje s úsečovými pery (obr. 9) apod. Obr. 9. Předepjaté spoje se silovým a tvarovým stykem 1.4 SPOJE S MATERIÁLOVÝM STYKEM Materiálový spoj je nerozebíratelný, vytvořený pomocí přídavného materiálu. Demontáž je možná pouze porušením materiálu ve stykové ploše. K spojům materiálovým stykem patří například spoje realizované svařováním, pájením nebo lepením. Příklady tvarového spojení jsou na obrázcích 10 až 12.: -11-
Obr. 10. Spojení svařováním Obr. 11. Spojení pájením Obr. 12. Spojení lepením Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaká pravidla je třeba dodržovat při ohřevu vnějšího dílu při nalisování zatepla? 2. V jakých případech se montuje? 3. Jak se demontuje kuželový lisovaný spoj? 4. Čím se liší rozebíratelné a nerozebíratelné západkové spoje? DRUHY MECHANICKÝCH SPOJENÍ 2.1 ŠROUBOVÉ SPOJE Šrouby jsou nejčastější strojní součásti používané v konstrukci strojů a zařízení. Používají se jako: spojovací šrouby pro rozebíratelné spoje, napínače pro napínání lan a táhel, uzavírací šrouby (vypouštěcí zátky), stavěcí šrouby k seřízení nebo nastavení vůle mezi součástmi. 2.1.1 ŠROUBOVÉ SPOJE A JEJICH ČÁSTI Závit je funkční část šroubu. Vznikne navinutím závitového profilu na válec (popřípadě kužel) ve šroubovici. Závity mohou být ostré (u spojovacích šroubů), ploché (u pohybových šroubů) a zvláštní. Přehled nejpoužívanějších normalizovaných závitů, jejich profilů, označování, určujících jednotek a výpočet rozměrů závitů pro spojovací a pohybové šrouby je ve Strojnických tabulkách. Závity s levým stoupáním šroubovice se označují LH za označením závitu, např. M 24 LH, M 24 1 LH, G ½ LH. Závit spojovacího šroubu a jeho rozvinutí je na obr. 13. úhel stoupání šroubovice ψ = arctg [P/(π. d 2 )] Obr. 13. Závit spojovacího šroubu d vnější (jmenovitý) průměr závitu, d 2 střední průměr závitu, d 3 průměr průřezu jádra šroubu, P rozteč závitu, ψ úhel stoupání závitu, α úhel závitového profilu, β = γ = α/2 úhel sklonu boků závitového profilu, m výška matice -12-
Rozměry potřebné pro výpočet šroubů jsou ve Strojnických tabulkách a v normách [ČSN 01 3214 94] až [ČSN 01 4068 86]. Označení vybraných závitů zvláštních: Edizonův závit Ed E 14 tvar a rozměry v ČSN 01 4055 86. Závity šroubů do plechu mají odlišný tvar profilu (obr. 14). Vyrábějí se v rozsahu: 2,5 d 8 mm; 0,79 P 2,12 mm. Rozměry v ČSN 01 4068 86. Obr. 14. Závity šroubů do plechu a) závit, b) profil závitu, c) konce šroubů Doporučené průměry vrtáků pro vnitřní závity (maticové) uvádí ČSN 01 4090 76 Doporučené průměry vrtáků pro závity matic. 2.1.2 LÍCOVÁNÍ ZÁVITŮ Technická dokumentace zadávaná do výroby může obsahovat mezní úchylky metrických závitů podle ISO ČSN 01 4068 86, ČSN 01 4316 89, ČSN 01 4317 89. a) Uložení metrických závitů s vůlí (obr. 15) podle ČSN 01 4314 79 Metrický závit. Tolerance. Uložení s vůlí nebo v Strojnických tabulkách. Je vhodné zejména pro maticové šrouby. Doporučená uložení uvádí ČSN 01 4315 70 Výběr doporučených mezních úchylek ISO závitů: 4h5h/4h pro spoje s malou závitovou vůlí. Dříve SH6/Sh6, 6H/6g pro obvyklé druhy provedení (přednostní použití). Dříve SH8/Sh8, 7H/8g pro spojení tepelně namáhané nebo s ochranným kovovým povlakem. Dříve SH8/Sd8 9H8H/10h8h pro uložení hrubých šroubů. Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4314 79 Metrický závit. Tolerance. Uložení s vůlí nebo ve Strojnických tabulkách. b) Přechodná uložení metrických závitů (obr. 16) používá se převážně u šroubů s hlavou zašroubovanou do oceli, litiny, nebo lehkých slitin za současného použití prvků na doraz (např. hlava, nákružek nebo čípek ve slepé díře) závit šroubu se tedy nedotahuje až do výběhu. Doporučená uložení jsou v tabulce (tab. 2). Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4316 89 Metrické závity. Přechodná uložení. c) U závrtných konců závrtných šroubů se doporučuje uložení s přesahem (obr. 17). Doporučená uložení pro zavrtání do: oceli: 2H4C/3n, nebo 2H4D/3n. Dříve SH4/Sn2, nebo SH4/Sn3, litiny: 2H5C/3n, nebo 2H5D/3n. Dříve SH4/Sn2, nebo SH4/Sp3, Al Mg slitin: 2H5C/3p, nebo 2H5D/3p. Dříve SH4/Sp2, nebo SH4/Sp3. Číselné hodnoty úchylek jsou v ČSN 01 4317 89 Metrické závity uložení s přesahem. Délka zašroubování šroubů jsou v ČSN 01 4316 89 Metrické závity. Přechodná uložení.: -13-
do oceli: b 1 = (1 až 1,25).d do litiny: b 1 = (1,25 až 1,5).d do litiny: b 1 = (1,25 až 1,5).d do Al Mg slitin: b 1 = (1,5 až 2).d d) Uložení lichoběžníkového závitu rovnoramenného (obr. 18). Doporučená uložení jsou v tab. 3. Číselné úchylky jsou v ČSN 01 4050 90 a v ČSN 01 4051 89 Lichoběžníkový závit rovnoramenný jednoduchý a vícechodý. e) Lícování ostatních závitů se najde v normách těchto závitů. Tab. 3. Výběr doporučených tolerančních polí lichoběžníkového rovnoměrného závitu -14-
Obr. 15. Polohy tolerančních polí závitů pro uložení s vůlí a) vnější závit, b) pro vnitřní závit -15-
Obr. 16. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu při přechodném uložení Obr. 17. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu při uložení s přesahem Obr. 18. Polohy tolerančních polí vnějšího a vnitřního závitu pro lichoběžníkový závit rovnoramenný 2.1.3 ZOBRAZOVÁNÍ A KÓTOVÁNÍ ZÁVITŮ Všechny normalizované závity (vnější i vnitřní) se znázorňují podle ČSN EN ISO 6410 1 2 3 (01 3213). Nejčastější zobrazování a kótování závitů je na obr. 19. -16-
Obr. 19 Zobrazování vnějších a vnitřních závitů 2.1.4 DRUHY ŠROUBOVÝCH SPOJŮ a) v pohledu b), c) v řezu (podélném i příčném) Šroubový spoj se skládá nejméně ze tří částí: spojovaného šroubu a spojovaných částí. Podle pružné poddajnosti šroubů se rozeznávají tuhé a poddajné šrouby (obr.20 a 21). Další příklady použití spojovacích šroubů jsou na obr. 22. Obr. 20. Druhy tuhých šroubových spojů a) průchozí šroubový spoj b) spoj zašroubovaným šroubem ve slepé díře c) spoj závrtným šroubem s maticí 1 průchozí šroub s maticí 2 zašroubovaný šroub -17-
Obr. 21. Druhy poddajných šroubů a) poddajný šroub s hlavou a maticí se středícími plochami b) poddajný šroub bez hlavy s dvěma maticemi c) poddajný šroub s rozpěracími trubkami Obr. 22. Příklady použití různých upevňovacích šroubů a) spoj lícovaným šroubem, b) spoj s otočným šroubem, c) spoj distančním šroubem, d) spoj napínacím šroubem a maticí, e) kotvový šroubový spoj, f) odtlačovací šroub, g) spoj se závěsným šroubem, h) svěrný spoj šroubem -18-
Šroub se skládá z válcového dříku se závitem a zpravidla z hlavy. Tvary dříků, hlav a ovládacích částí šroubu jsou v ČSN 02 1003 90, normalizované tvary konců šroubů ČSN 02 1031 83, výběhy a drážky jsou v ČSN 02 2033 a 34 87, ČSN 02 1036 a 37 87, zahloubení pro šrouby a matice je v ČSN 02 1020 až 24. Označení šroubů: Šroub Md(xP)xl ČSN 01 1xxx.xx 1. doplňková číslice značí třídu pevnosti 2. doplňková číslice znamená povrchovou úpravu: 0 bez úpravy, 1 čistý povrch, 2 černění, 3 fosfátování, 4 kadmiování, 5 zinkování, 6 mosazení, 7 niklování, 8 chromování, 9 podle zvláštního předpisu. Příklad: Šroub M 20 x 80 ČSN 02 1101.51 Přehled nejpoužívanějších šroubů je v tab. 1.32-19-
Tab. 4. Výběr nejčastěji používaných šroubů (ČSN 02 1003 901 Spojovací součásti. Názvosloví., eqv ISO 1891 79) -20-
Tab. 4. pokračování -21-
2.1.5 TVARY MATIC A PODLOŽEK Tvary matic jsou na obr. 23, tvary podložek na obr. 24. Rozměry matic a podložek jsou v příslušných normách. Rozměry matic a podložek jsou ve Strojnických tabulkách a v příslušných normách. Označení matic: Matice M d(xp) ČSN 02 1xxx.xx. Doplňkové číslice stejné jako u šroubů. Příklad. Matice M 36x3 ČSN 02 1401.20. Označení podložek: Podložka d ČSN 02 17xx.xx. Prvá doplňková číslice značí materiál: 1 ocel 11 423, 2 slitina hliníku 42 4201, 3 měď 42 3001, 4 bronz 42 3016, 5 mosaz 42 3213, 6 olovo 42 3733, 7 lesklá lepenka ČSN 50 3177.1, 8 tvrzený papír ČSN 64 4111.2, 9 podle zvláštního ujednání. Druhá doplňková číslice značí povrchovou úpravu: 0 bez úpravy povrchu, 2 alkalické černění, 3 fosfátování, 4 kadmiování a chromování, 5 zinkování a chromování, 6 mosazení, 7 niklování, 8 chromování, 9 podle zvláštního ujednání. Příklad: Podložka 13 ČSN 02 1702.10. Podložky se vkládají pod matice, popř. pod hlavu u velkých děr, měkkého materiálu spojovacích součástí, nebo při nerovnostech, nebo sklonech dosedací plochy. Není-li to nezbytné není nutné používat podložek, protože to zvětšuje sednutí šroubového spoje plastickými deformacemi. Obr. 23. Tvary matic a) šestihranná (ČSN 02 1401 a 02 1601), b) čtyřhranná (ČSN 02 1621), c) kruhová se zářezy (ČSN 02 1449), d) válcová s dírami (ČSN 02 1441), e) válcová s drážkou (ČSN 02 1444), f) uzavřená (ČSN 02 1431), g) rýhovaná (ČSN 02 1461), h) křídlatá (ČSN 01 1665) Obr. 24. Tvary podložek -22-
a) lisovaná (ČSN 02 1702, provedení A a ČSN 02 1721), b) soustružená (ČSN 02 1702, provedení B), c) pro ocelové konstrukce (ČSN 02 1708), d) čtyřhranná (ČSN 02 1724), e) pro tyče I, U, IE, UE (ČSN 02 1739), f) vydutá (ČSN 02 1731) 2.1.6 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÝCH SPOJŮ Každé spojení spojovacími šrouby je pojištěno proti samovolnému uvolnění při statickém zatížení samosvorností závitu šroubu, třením mezi hlavou šroubu a její dosedací plochou, nebo mezi maticí a její dosedací plochou. Zejména při dynamickém namáhání jeví se v některých případech potřeba přídavného pojištění proti uvolnění, nebo ztrátě matice. Pojištění může být materiálové (přivařením, připájením, přilepením), tvarové (obr. 25) nebo silové (obr. 26). Hlavní rozměry pružných podložek jsou ve Strojnických tabulkách a příslušných normách. Obr. 25. Tvarová pojištění šroubů a) závlačkou (ČSN 02 1781), b) závlačkou a korunovou maticí (ČSN 02 1411), c) pojistnou podložkou s nosem (ČSN 02 1753), d) pojistnou podložkou s jazýčkem (ČSN 02 1751), e) drátem a plombou olověnou nebo plastovou, f) stahovací maticí KM (ČSN 02 3630) s pojistnou podložkou MB (ČSN 02 3640), g) zásekem okraje šroubu do spojovaného materiálu -23-
Obr. 26. Silová pojištění šroubů a) pružnou podložkou (ČSN 02 1740 a 02 1741), b) dvěma maticemi: 1 nosná matice (ČSN 02 1401), 2 přítužná matice (ČSN 02 1403), c, samojistnou maticí se zalisovaným polyamidovým kroužkem (ČSN 02 1492), d) ozubená podložka (ČSN 02 1744), e) vějířová položka s vnějším ozubením (ČSN 02 1745), f) vějířová podložka s vnitřním ozubením (ČSN 02 1746), g) pružná podložka prohnutá (ČSN 02 1733) 2.1.7 SILOVÉ POMĚRY NA ŠROUBU Silové poměry pro plochý závit (β = 0 ) vyplývají z obr. 27. Zde je síla F n normálová síla a F t = µ Z. F n proti pohybu tělesa působící Coulombova třecí síla; µ Z je součinitel tření v závitech. Z obr. 27 pro utahování (+), popř. uvolňování (-) vyplývá obvodová síla na (průměru d 2 ): F o = F. tg(ψ ± φ), kde φ = arctg µ Z je třecí úhel. Pro ostrý závit (β = γ = α/2) > 0 : F o = F. tg(ψ ± φ ), kde třecí úhel φ = arctg(µ Z /cosβ). Obr. 27. Síly na šroubu a) zatížení závitu, b) silové poměry se třením při utahování, c) silové poměry se třením při povolování, F zátěžná sila, F o obvodová síla, d jmenovitý průměr závitu, d 2 střední průměr závitu, d 3 průměr jádra, ψ úhel stoupání závitu, φ třecí úhel -24-
Úhel sklonu boku závitu je u metrických závitů β = 30, u trubkových závitů β = 27,5, u lichoběžníkového rovnoramenného β = 15. Součinitel tření v závitech µ Z možno brát přibližně stejný jako v dosedací ploše hlavy (matice) µ A podle tab. 5. Součinitel tření v metrickém závitu µ Z 1,16.µ Z Tab. 5. Součinitel tření µ Z µ K µ pro běžné šroubové spoje Třecí moment v závitu: M Z = F o. d 2 /2 = F. (d 2 /2). tg(ψ ± φ ), je-li ψ φ popř. ψ φ je závit samosvorný. Třecí moment v dosedací ploše hlavy/matice (obr. 28): M A = F. r A. µ A Obr. 28. Styková plocha mezi hlavou šroubu a sevřenou částí d A průměr nákružku pod hlavou šroubu, D 1 průměr díry pro šroub Obr. 29. Přídavný ohyb šroubu Pro poloměr třecí plochy platí u šestihranné hlavy/matice: r A 0,7d. Celkový utahovací moment: M U = M Z + M A + F. (d 2 /2). tg(ψ ± φ ) + F. r A. µ A. Účinnost závitu při utahování resp. uvolňování: η = tgψ/tg(ψ ± φ) pro plochý závit, popř. η = tgψ/tg(ψ ± φ ) pro ostrý závit Přenos síly a namáhání Šrouby musí být přiměřeně utažené (ani příliš pevně ani příliš lehce) -25-
Při utahování matic nebo šroubů působí točivý moment (viz následující obrázek vlevo). Moment síly při utahovaní šroubu Působení předpínací síly Příklad: Jak velká je předepínací síla F v, jestliže je šroub m12 (P = 1,75) utažen momentem M A = 55 N.m při účinnosti η = 011? MA.2. π 55 000N.mm.2. π Řešení: Fv =. η=.011= P 1,75mm 21 722N Pro požadovanou předepínací sílu je možné vypočítat utahovací moment M A : Příklad: Jaká velikost utahovacího momentu M A musí být zvolena, jestliže se má ve šroubu M16 (P = 2 mm) vytvořit předepínací sílu F v = 100 kn při účinnosti η = 15%? Řešení: M F v.p 100 000N.0,002.m. = = 2. πη. 2. π.0,15 A = 212N. m V závislosti na stoupání závitu vytváří tento točivý moment tahovou sílu (předepínací sílu) ve šroubu; ten se tím prodlužuje. Reakční síla stlačuje spojované díly a stahuje je k sobě (viz obrázek nahoře vpravo). Tuto sílu označujeme jako předepínací sílu F v. Při příliš velké předepínací síle se šroub plasticky deformuje a může prasknout. Následující tabulky uvádí příklady přdeepínací síly a utahovací momenty některých šroubů. -26-
Předpínací síla a utahovací momenty šroubů 2.1.8 PŘÍČINY PORUCH ŠROUBOVÝCH SPOJŮ A JEJICH ODSTRAŇOVÁNÍ 1. Nepřesné znalosti o skutečném výskytu a působení vnějších sil. Snížit dovolené napětí zvýšit bezpečnost. 2. Nevhodné utahování šroubů. Malé šrouby se snadno ukroutí (použit vysokopevnostní šrouby nebo snížit dovolené napětí.), zatímco velké šrouby dostanou často malé předpětí (klíč příliš krátký). Nejlépe v těchto případech používat momentový klíč nastavený na utahovací moment. 3. Přídavné ohybové napětí ve šroubu v důsledku tvarových a polohových úchylek šroubu a matic jako úchylka rovnoběžnosti. (obr. 29). Ohybovému namáhání lze zabránit použitím dvou kolových podložek, nebo dalších poddajných šroubů, a rovnoběžným opracováním spojovaných částí. 4. Ztráta předpětí tepelným prodloužením nebo plastickou deformací šroubu a sevřených částí. Použít vysokopevnostní poddajné šrouby. Pro udržení co nejmenšího sednutí spojovaných součástí nepoužívat měkké podložky, nýbrž tvrdé kalené podložky. 5. Samovolné uvolnění otřesy pojistit tvarovými pojistkami. 6. Chemické nebo elektrochemické napadení, koroze vhodná volba materiálu a povrchová ochrana. 7. Opotřebení závitu u pohybových šroubů vhodná volba dvojice materiálu šroub matice, mazání a přiměřený stykový tlak. 8. Lomy šroubů při dynamickém namáhání. Rozdělení četnosti lomů normalizovaných šroubů při míjivém zatížení: 65% lomů v prvním zatíženém závitu, 20% lomů ve výběhovém závitu 15% lomů pod hlavou šroubů Únosnosti při dynamickém namáhání lze zvýšit některými konstrukčními úpravami: 1. Tažnou maticí nebo maticí s odlehčovacím vrubem zlepší se rozdělení napětí po závitech a odlehčí se první nosný závit. -27-
2. Snížením vrubového součinitele ve výběhu závitu. 3. Zvětšením přechodového poloměru (přechodové radiusy z dříku do hlavy se zmírňujícím vrubovým účinkem) z hlavy do dříku. 2.1.9 ŠROUBOVÁ POLE Často se šroubové spoje nevyskytují jednotlivě, ale ve skupinách, kde zajišťují společně přenos sil a momentů.z technologických důvodů bývají většinou v polích šrouby stejného průřezu a uspořádané do tvaru rovnoběžníka, nebo na kružnici. V praxi se vykytuje hlavně pět případů podle působení sil a momentů na spoj. Příklad připevnění konzoly ložiska šroubovým polem je na obrázku 30. Obr. 30. Připevnění konzoly ložiska šroubovým spojem Příklad: Určete silové poměry ve šroubovém poli pro připevnění konzoly ložiska (obr. 30). Dáno: síla v ložisku F Q = 1,6 kn; z = čtyři šrouby z materiálu 5D; součinitel utahování k U = 1,6 součinitel tření ve stykové spáre µ 0. Řešení: 1. Platí že F Qi = F Q /z = 400 N 2. M = F Q. l = z. F M max. r max = z. F M max. e / 2 F Max = F. l. 2 z.e = 1191N 3. Dále platí že: F i = F Qi + F Mi ; F Qi + F Max z toho F Q Max = 4. Předpětí F v = k v. F Q max / µ 0 = 16 kn 5. Pro Sílu F 1,6kN a materiál šroubu 5D vychází šroub M5. Opakování a prohloubení znalostí F 2 2 o M max + FQi 2.FM.cos135 = 1 500 N 1. Jak dělíme šrouby podle tvaru hlavy? 2. Jak lze zpevnit vnitřní závity dílů hliníku tak, aby mohly přenášet velké síly? 3. Proč nesmí překročit tahové napětí šroubu mez kluzu R e, popř. R p0,2? 4. Jaká je minimální pevnost v tahu a minimální mez kluzu materiálu šroubu pevnosti třídy 8.8? 5. Jakou minimální pevnost v tahu musí mít materiál matice, která se použije společně se šroubem pevnostní třídy 10.9? 6. Jaký je rozdíl mezi zajištěním proti pootočení šroubu a mechanickou pojistkou šroubového spoje? 7. Proč se mohou v případě, že není maximální přepínací síla šroubu F v plně využita, použít šrouby s menším průměrem? 8. Dvě desky jsou spojeny šroubem M16 pevnostní třídy 12,9. Jaký je součinitel bezpečnosti (vzhledem k R e ), jestliže je předepínací síla F v = 110kN? 9. Jaký utahovací moment je nutné vynaložit, má-li se ve šroubu M10 vytvořit -28-
při účinnosti utahování η = 0,12 předpínací síla 70 kn? 2.1.10 POHYBOVÉ ŠROUBY Šroubové mechanizmy (matice šroub) slouží k přeměně točivého nebo šroubovitého pohybu na posuvný nebo naopak. Čtyři charakteristické případy jsou v tab. 6. Přednostně se používá lichoběžníkový rovnoramenný závit, zřídka plochý. Pro jednostranné namáhání vřetena i lichoběžníkový nerovnoramenný.tam, kde se požaduje samosvornost, bývají závity jednochodé, jinak pro lepší účinnost vícechodé. V důsledku tření mezi šroubem a maticí je třeba volit vhodné dvojice materiálů. Šrouby (vřetena) jsou nejčastěji z konstrukční oceli 11 500 nebo 11 600, méně namáhané matice jsou z šedé litiny, pro vyšší namáhání z bronzu nebo mosazi, popř. výstelky těchto kovů. Účinnost mechanizmu při zdvíhání: η 1 = tg ψ/tg(ψ + φ ), při otáčení v opačném smyslu: η 2 = tg(ψ φ )/tgψ Tab. 6. Princip jednotlivých druhů šroubových mechanizmů Pevnostní výpočet Průřez jádra vřetena je namáhán osovou silou F na tah nebo tlak a současně momentem M K na krut: σ = F/A 3 ;τ K = M K /0,2 d 3 3 Redukované napětí: σ red = σ 2 + 3τ 2 K σ Dovolené napětí šroubu s lichoběžníkovým závitem: zatížení míjivé střídavé rovnoramenný σ D 0,2R m σ D 0,13R m nerovnoramenný σ D 0,25R m σ D 0,16R m D Delší vřetena nutno kontrolovat na vzpěr. Ocelová vřetena se kontrolují při štíhlosti λ 90 podle Eulera. 2 π.e.j Fkr = ke.f, 2 ( µ.l ) max -29-
kde k E je bezpečnost podle Ruleta: k E = 2,6 až 6 µ se určí z obr. 31 Štíhlost vřetena: λ = µ.l max /d 3 Pro λ < 90 provádí se kontrola podle Tetmajera. Pro ocel 11 500 a 11 600 je σ Tet = 338 0,62.λ. Vzpěrné napětí σ vz = F/A 3, bezpečnost k Tet = σ Tet /σ vz = 1,7 až 4. Kontrola tlaku v závitech matice: F.P p= pd. m. π.d 2.H1 Dovolený tlak v závitech pro dvojici šroub matice: ocel litina p D = 2 až 7 MPa, ocel ocel p D = 7,5 až 10 MPa, ocel bronz p D = 5 až 15 MPa Obr. 31. Běžné případy vzpěru vřetena šroubu Štíhlost vřetena λ = µ.l max /d 3 a) případ 1: µ = 2, b)c) případ 2: µ =1 Zvyšuje podstatně účinnost na (90 až 93%). Použití u obráběcích strojů. Kuličkové šrouby 2.1.11 ŠROUBOVÝ MECHANIZMUS S VALIVÝMI TĚLÍSKY KULIČKOVÝ ŠROUB a maznice lze koupit jako celek (v různých kinematických variantách a rozměrových řadách) přímo k namontování na stroj. Obr. 32. Kuličkový šroub 1 vřeteno šroubu s broušenými kuličkovými drahami, 2 oběžné kuličky, 3 matice, 4 zpětný kanál, 5 stěrač, 6 příložka, 7 spojovací šroub Princip činnosti: kuličky 2 jsou vraceny zpětným kanálem 4 do výchozího místa při použití dvou matic 3 a jedné příložky 6 lze příslušným předběžným zatížením vyloučit axiální vůli. -30-
2.2 SPOJE KOLÍKY A ČEPY 2.2.1 SPOJE KOLÍKOVÉ Kolíky patří k často používaným spojovacím součástem. Spojení součástí kolíky je jednoduché a poměrně snadno demontovatelné. Kolík zachycuje síly kolmé k jeho ose, nebo přesně vymezuje vzájemnou polohu dvou součástí. Jsou vhodné pro přenos malých, bezrázových a pokud možno nestřídavých točivých momentů. Jsou válcové nebo kuželové s hlavou nebo bez ní. Rozměry kolíků a jejich přiřazení k čepům jsou normalizovány podle ČSN (viz Strojnické tabulky). Válcové kolíky slouží k zajištění vzájemné přesné polohy dvou součástí, které jsou spojeny např. šrouby procházejícími volně dírami. Kolík je zalícován (zaražen) do díry, která se vyrobí v obou součástech společně (kvůli sestavování součástí). Díry pro lícované válcové kolíky se vrtají a vystružují, obvyklá uložení jsou H7/n6, H7/m6, H7/p6. Kuželové kolíky vytvářejí velmi přesné a pevné spoje. Zaručují stále přesnou polohu spojených částí i po opakovaném rozebrání spoje. Nejsou vhodné pro spoje, na které působí otřesy a rázy. Díry pro kuželové kolíky se musí vystružovat v obou součástech současně, obvyklá uložení jsou H11/h10, H12/h11. Normalizované kolíky mají kuželovitost 1 : 50, válcové kolíky jsou hladké nebo rýhované. Pružné kolíky jsou duté válcové kolíky z pružinové oceli, takže v radiálním směru silně pruží. Těchto kolíků se s výhodou používá zejména pro konstrukce namáhané vibracemi. Rýhované válcové kolíky mají na povrchu vytlačeny podélné rýhy. Rýhy jsou buď průběžné, nebo jen do poloviny kolíku. Hrany rýh se po zaražení kolíku zaseknou do materiálu, čímž je kolík pojištěn proti uvolnění a pootočení. Rýhované kolíky nevyžadují přesné lícování díry a jsou odolnější proti uvolnění. Nejsou naopak vhodné pro spoje, které se často rozebírají a pro spojování hliníkových částí. Únosnost spojů s rýhovanými kolíky je o cca. 20-30% nižší. Nejčastěji se používá uložení H11/h11, H12/h11. Rýhované hřeby jsou v podstatě rýhované válcové kolíky s půlkulovou nebo zápustnou hlavou, podobnou hlavě nýtu. Těmito hřeby se upevňují např. štítky, plechové kryty apod. Příklady kolíků: Kolík pro uchycení pružiny je na obr. 33. -31-
Obr. 33. Kolík pro uchycení pružiny Kolíkové spoje se dimenzují za zjednodušených předpokladů bez uvážení vlivu zalisování s přiměřeně sníženým dovoleným napětím. U spojovaných části se kontroluje otlačení stykových ploch v oblině díry. Kolíky a čepy se v závislosti na typu spoje kontrolují na smyk nebo na ohyb. U spojů hřídele s nábojem, zatížených kroutícím momentem, se obvykle provádí doplňková kontrola namáhání hřídele na krut. Ohybové napětí kolíku: Otlačení: kde v metrické soustavě: M b ohybový moment [Nmm] W b modul průřezu v ohybu [mm 3 ] P b otlačení od ohybu [MPa] P p otlačení od tlaku [MPa] F působící síla [N] s tloušťka desky [mm] h rameno síly [mm] d průměr kolíku [mm] K Sb, K Sp provozní koeficient -32-
Zajišťovací kolík Smykové napětí kolíku: Tlak ve spodní desce: Tlak v horní desce: kde v metrické soustavě: F působící síla [N] s 1 tloušťka spodní desky [mm] s 2 tloušťka horní desky [mm] d průměr kolíku [mm] i počet kolíků ve spoji K L koeficient rozložení zatížení K Sb, K Sp provozní koeficient -33-
Příčný kolík v táhlu a objímce Zatížení příčnou silou smykem. Spoj se kontroluje na otlačení stykových ploch a smyk kolíku. Doporučené rozměry spoje: d» (0.2.. 0.3) D D 1» (1.5.. 2)D pro ocelový náboj D 1» (2.5)D pro náboj z šedé litiny Smykové napětí kolíku: Tlak v táhle: Tlak v objímce: kde v metrické soustavě: F působící síla [N] D průměr táhla [mm] D 1 průměr objímky [mm] d průměr kolíku [mm] i počet kolíků ve spoji K L koeficient rozložení zatížení K Sb, K Sp provozní koeficient -34-
Radiální kolík pro spojení hřídele s nábojem. Zatížení kroutícím momentem. Spoj se kontroluje na otlačení stykových ploch, smyk kolíku a kroucení hřídele. Doporučené rozměry spoje: d» (0.2.. 0.3) D D 1» (1.5.. 2) D pro ocelový náboj D 1» (2.5) D pro náboj z šedé litiny Smykové napětí kolíku: Tlak v hřídeli: Tlak v náboji: Napětí hřídele v krutu: kde v metrické soustavě: T kroutící moment [Nmm] D průměr hřídele [mm] D 1 průměr náboje [mm] d průměr kolíku [mm] K Sb, K Sp provozní koeficient -35-
Spárový (podélný) kolík pro spojení hřídele s nábojem Doporučené rozměry spoje: d» (0.125.. 0.2) D L f» (1.. 1.5) D D 1» (1.5.. 2) Dpro ocelový náboj D 1» (2.5) D pro náboj z šedé litiny Smykové napětí kolíku: Tlak v hřídeli a náboji: Napětí hřídele v krutu: kde v metrické soustavě: T kroutící moment [Nmm] D průměr hřídele [mm] D 1 průměr náboje [mm] d průměr kolíku [mm] L f funkční délka kolíku [mm] i počet kolíků ve spoji K L koeficient rozložení zatížení K Sb, K Sp provozní koeficient -36-
Volba kolíku Z výběrového seznamu vyberte provedení (normu) kolíku. Normalizované kolíky a čepy mají normou předepsány přesné rozměry průměrů a délek. Rozměry kolíků dle ANSI jsou normou definovány v [in], u ostatní typů jsou rozměry definovány v [mm]. Provedení normalizovaných čepů a kolíků Počet kolíků Pro přenos větších zatížení je možné použít ve spoji více kolíků. Jejich uspořádání bude závislé na celkovém provedení spoje, případně i charakteru zatížení. U spárových kolíků na hřídeli se obvykle volí symetrické uspořádání (přesazené o 180 ). Koeficient rozložení zatížení Vlivem výrobních a montážních nepřesností nemusí být u spojů s více kolíky vždy dosaženo rovnoměrného rozložení zatížení mezi všechny kolíky. Skutečná nosná plocha spoje je pak nižší než nosná plocha stanovená teoreticky. Poměr mezi teoretickou a skutečnou nosnou plochou spoje je definován koeficientem rozložení zatížení. S ohledem na provedení spoje, přesnost uložení a počet kolíků se velikost koeficientu udává v rozmezí 0.5 až 1. -37-
Upozornění: U spojů s těsným uložením kolíků (bez vůlí), u kterých byly díry pro kolíky vrtány současně při montáži spoje, lze předpokládat rovnoměrné rozložení zatížení. Pro takovéto spoje se pak obvykle volí koeficient roven 1. Provozní koeficient (tlak) Vyjadřuje celkový vliv výrobních a provozních parametrů na snížení únosnosti spoje z hlediska přípustného otlačení stykových ploch. Jeho velikost závisí na typu kolíku a charakteru zatížení spoje. S ohledem na zmíněné parametry jsou v literatuře uváděny hodnoty koeficientu v rozmezí 1 až 3. Provozní koeficient (ohyb, smyk) Vyjadřuje celkový vliv výrobních a provozních parametrů na snížení únosnosti kolíku namáhaného smykem resp. ohybem. Jeho velikost závisí na typu kolíku a charakteru zatížení spoje. S ohledem na zmíněné parametry jsou v literatuře uváděny hodnoty koeficientu v rozmezí 1 až 3. Průměr kolíku Průměr kolíku vyberte z normou předepsané rozměrové řady průměrů. Dovolený rozsah délek kolíku Normou předepsaná minimální a maximální dovolená délka vybraného kolíku. Minimální funkční délka kolíku U spojů se spárovým kolíkem udává tento parametr minimální funkční délku zvoleného kolíku, potřebnou pro bezpečný přenos zadaného kroutícího momentu. U ostatních typů kolíkových a čepových spojů je minimální délka dána konstrukcí spoje a rozměry spojovaných částí Funkční délka kolíku Funkční délka kolíku je celková délka zmenšená o sražení resp. zaoblení konců kolíku. Pevnostní kontroly spoje Kolíkové spoje se dimenzují za zjednodušených předpokladů bez uvážení vlivu zalisování s přiměřeně sníženým dovoleným napětím. U spojovaných části se kontroluje otlačení stykových ploch v oblině díry. Kolíky a čepy se v závislosti na typu spoje kontrolují na smyk nebo na ohyb. U spojů hřídele s nábojem zatížených kroutícím momentem se obvykle provádí doplňková kontrola namáhání hřídele na kroucení. Rozměry kolíků jsou v příslušných normách nebo v Strojnických tabulkách Označení kolíků Označení: Kolík d x l ČSN 02 21xx(.xx.), Hřeb d x l ČSN 02 219.0x 1. doplňková číslice značí materiál, 2. doplňková číslice u kuželových kolíků značí drsnost povrchu (1 R a 1,6; 2 R a = 0,8), u hřebů značí povrchovou úpravu (0-38-
nepředepsáno, 2 černěno, 3 kadmiováno, 4 zinkováno, 7 niklováno, 8 chromováno, 9 podle zvláštního předpisu). Příklady kolíkových spojů (obr. 33) Opakování a prohloubení znalostí Obr. 33. Praktické provedení kolíkových spojů 1. Jak můžeme rozdělovat nýtové spoje podle požadavků, které jsou na ně kladeny? 2. Jaké přednosti mají nýtové spoje oproti svarům? 3. K čemu se používají lícované kolíky? 4. V jakých případech se používají jednostranné nýty? 5. Proč se pro slepé díry používají válcové kolíky s podélnými drážkami? 6. Při lícování válcového kolíku φ 8h8 v díře φ 8H7 se jedná o uložení s vůlí. Jaká je maximální a minimální vůle? 7. Jak velká je kuželovitost kuželových kolíků? 8. Jaké přednosti má lisovací nýtování? 9. Z jakých materiálů se vyrábějí nýty? -39-
10. Proč by měly být spojované díly a nýty ze stejného materiálu? 2.3 SPOJE ČEPOVÉ Spojovací čepy používáme k rozebíratelnému kloubovému spojení součástí nebo k pohyblivému (obr. 34), uložení výkyvných součástí, např. pák, klik, apod. Tvar, rozměry, mezní úchylky, materiál a provedení jsou pro normalizované čepy předepsány ve skupině ČSN 02 21xx. Čepy jsou vlastně tlustší válcové kolíky, které jsou obvykle uloženy v součástech s vůlí a Obr. 34. Příklady použití čepových spojů. Zajištění proti osovému posunutí: a) čepu bez hlavy závlačkami a podložkami, b) čepů bez hlavy pojistnými třmenovými kroužky, c) čepu s hlavou pojistným kroužkem, d) čepu s hlavou a závitem maticí a podložkou vytvářejí tedy kloubové spoje, např. táhel a vidlic. Mohou však též nahrazovat krátké nosné hřídele pojezdových kol, kladek apod. Potom se ale musí pečlivě mazat. Existují další kombinace jednotlivých druhů čepů s uvedenými druhy pojistek. Zajištění čepů v součásti proti pootočení přídržkou přišroubovanou dvěma šrouby je na obr. 35. Obr. 35. Zajištění čepu proti pootáčení přídržkou 2.3.1 DRUHY A OZNAČOVÁNÍ SPOJOVACÍCH ČEPŮ Rozměry normalizovaných čepů jsou v příslušných normách nebo ve Strojnických tabulkách. Označení: Čep d x l x (x l h ) ČSN 02 21xx.xx. Materiál 1. doplňková číslice: 11 109 nebo 11 343 0, 11 500 1, 11 600 2, podle zvláštního předpisu 9. Úprava povrchu 2. doplňková číslice: bez úpravy 0, kadmiováno 4, zinkováno 5, chromováno 8, podle zvláštního předpisu 9. -40-
Tab. 7. Přehled normalizovaných čepů Přiřazení závlaček čepům a šroubům je v ČSN 02 1781 76 Závlačky. Délky čepů l zajištěných závlačkami s roztečí l 1 se vypočítá z tab. 8 a 9. Tabulka 8. Vzorec pro rozteče děr pro závlačky l 1 a celkové délky čepů -41-
Tab. 9. Hodnoty A a B pro čepy podle ČSN 02 21xx, závlačky podle ČSN 02 1781 a podložky podle ČSN 02 1702 a hodnoty v min. Obrázky jsou v tab. 8 a rozměry jsou uváděný v mm 2.3.2 Výpočet čepů (obr. 36) Ohyb čepu: σ Smyk čepu: τ s o M = W O o O F = 2.( π / 4).d F Tlak v tyči: p1 = p D 1 d.l 3.F.l = 3 8. π.d 2 2.F = 3 π.d F Tlak ve vidlici: p2 = pd2. 2.b.d 4.F.l = σ 3 π.d τ Ds zanedbate ln é Obr. 36. Čepy a kolíky v táhlech namáhané ohybem a) spoj, b) rozložení napětí a tlaků; l = (0,5 až 1,7). d, b = (05 až 0,3). l, D 2,5d pro ocel tvářenou i litinu, D 3,5d pro litinový náboj -42-
Dovolená napětí a tlaky podle tab. 10. Tab. 10. Směrné hodnoty dovolených napětí čepových a kolíkových spojů. Stejné hodnoty otlačení je možno použít pro spoje náboje s hřídelem. Opakování a prohloubení znalostí 1. Jaké použití kolíků a čepů poznáte z praxe? 2. Je nutno díru pro normalizované čepy vystružit? 3. Dutý čep o vnějším průměru d= 125 mm a vnitřním průměru d= 80mm přenáší ohybový moment 15 700 N.m. Vypočtěte průměr plného čepu, který přenese totéž ohybové zatížení. (d 120 mm) Následují odborné texty související se spojením čepy zahrnující nejnovější trendy v konstrukci strojů a zařízení, vybrané z odborných časopisů, přednášek, internetu, nejlepších studentských projektů a soutěží atd. Spojení čepy charakteristika (konstrukční znaky) Dobře rozebíratelná spojení pomocí válcového čepu vloženého s hybným uložením do otvorů ve spojených částech, takže je spoj otočně pohyblivý okolo osy čepu. Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti) -43-
Typická provedení: Tvary Normalizované čepy A) bez hlavy a) bez děr (ČSN EN 22340) a) b) s dírami pro závlačky (ČSN EN 22340) b) B) s hlavou a) bez děr (ČSN EN 22341) c) b) s dírou pro závlačku (ČSN EN 22341) d), e) Nenormalizované čepy Příklady: Rozměry Normalizované čepy podle příslušné ČSN: d: 1 200 mm l : v přiřazených řadách Tolerance a uložení Obvykle H11/h11 (příp. H10/h8 nebo H8/f8) -44-
Materiály Normalizované čepy : oceli tř. 11 100 (11 103, 11 110) 11 300 (11 341, 11 373) 11 400 (11 423) Nenormalizované čepy : oceli tř. 11 500 11 600 Poznámky: Orientační statické pevnostní hodnoty (pro dynam. namáhání ~ x 1 / 2). materiál čepu - např.: 11 373 11 500 s pt @ 370 MPa 500 MPa s kt @ (0,6-0,8) s pt 220 MPa (x 0.6) 300 MPa (x 0.6) s D @ s kt / ( (1,5 ) 2,5 ) 90 ( 150) MPa 120 ( 200) MPa t D @ 0,6 s D 50 ( 90) MPa 80 ( 120) MPa p Dv @ (p / 4) p D ~ 0.8 s D 70 ( 120) MPa 100 ( 160) MPa vliv válcového uložení p Dv poh,zat @ 0,2 p D 15 ( 25) MPa 20 ( 30) MPa vliv pohybu mater. spoj. částí - např.: 422425 (š.litina) 11 373 p Dv @ (p / 4) p D ~ 0.8 s D 40 ( 50) MPa 80 ( 120) MPa p Dv poh,zat @ 0,2 p D 10 MPa 15 ( 25) MPa Pro šedou litinu (např. 422425): s D @ s Pt / (4 5) = 250 / (4 5) >= 50 60 MPa. Pozor, pro dovolené měrné tlaky ve spoji p Dsp = p Dmin (tzn. je vždy rozhodující p D méně kvalitního materiálu ve dvojicích čep - spojovaná část!). Ve spojích s pohybem při zatížení musí mít čep a spojované části rozdílné tvrdosti povrchu. Vlastnosti (vnější vlastnosti) Komplexní užitné vlastnosti Provoz, údržba, opravy Přenos sil kolmých na osu čepu při možnosti natáčení spojených částí (klouby). Vůle ve spoji jsou na závadu při dynamickém zatěžování. Při provozu vyžaduje spoj mazání (pokud není opatřen samomazným pouzdrem ap.). Rozebíratelnost závisí na způsobu axiálního zajištění čepu, většinou jednoduchá. Spolehlivost proti uvolnění rovněž závisí na způsobu axiálního zajištění čepu, většinou vysoká. Spolehlivost proti poruše je dána spíše přilehlými zónami (partiemi) spojovaných částí, než čepem. -45-
Výroba, montáž Velmi jednoduchá výroba, konstrukční úpravy spojovaných částí jsou jednoduché (zarovnání čel a vystružení), čepy i prvky pro zajištění polohy čepu se většinou nakupují jako normalizované díly (komponenty), výroba nenormalizovaných čepů je rovněž (obecně) jednoduchá. Komplexní časové vlastnosti Rychlost procesů Velmi rychlý návrh, výroba (a nákup), montáž i demontáž. Komplexní nákladové vlastnosti Hospodárnost procesů Levný spoj. Provozní náklady dány pouze nároky na mazání. Náklady na demontáž minimální. Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností) Master stavební struktury (pro typické provedení) Hlediska - únosnost a pevnost Ohyb čepu (zjednodušení pro větší bezpečnost) v řezu 1 jako u nosníku na dvou podporách: -46-