Části a mechanizmy stojů I

Části a mechanizmy stojů I Název studijního programu Ing. Daniel Kučerka, PhD., ING-PAED IGIP doc. Ing. Soňa Rusnáková, PhD., ING-PAED IGIP doc. Ing. Ján Kmec, CSc. 2013 České Budějovice 1

Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálnímfondem a státním rozpočtem České republiky. 1. vydání ISBN Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2013 Vydala: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, Okružní 10, 370 01 České Budějovice Za obsahovou a jazykovou správnost odpovídají autoři a garanti příslušných předmětů. 2

OBSAH 1 Úvod do problematiky spojů ve strojírenství... 10 1.1 Spojení hřídele s nábojem... 10 1.2 Rozdělení hřídele s nábojem... 11 1.2.1 Dle způsobu přenosu sil... 11 1.2.2 Dle způsobu namáhání... 13 1.2.3 Tvarová spojení hřídele s nábojem... 14 1.3 Namáhání na tah, tlak... 14 1.4 Vrubový účinek... 18 2 Šroubové a závitové spoje... 20 2.1 Základní definice... 20 2.2 Názvosloví závitového spoje... 21 2.3 Rozdělení závitů... 23 2.4 Mechanické vlastnosti šroubů a matic... 24 2.5 Síly ve šroubovém spoji při tahovém zatěžování... 24 2.5.1 Šroubové spoje bez předpětí... 24 2.5.2 Šroubové spoje s předpětím... 25 2.5.3 Namáhání šroubového spoje na ohyb... 26 2.5.4 Namáhání šroubového spoje silou kolmou na os šroubu... 26 2.6 Pohybové šrouby... 27 3 Předpjaté šroubové spoje... 30 3.1 Šroubové spoje s předpětím... 30 3.2 Šroubové spoje s proměnlivou provozní silou... 35 4 Kolíkové, nýtové a čepové spoje... 39 4.1 Kolíkové spoje... 39 4.1.1 Rozdělení kolíků... 40 4.1.2 Pevnostní kontrola kolíků... 41 4.1.2.1 Příčný kolík zatížený silou kolmou na os... 41 4.1.2.2 Příčný kolík zatížený silou kolmou na os... 42 4.1.2.3 Příčný kolík zatížený obvodovou silou... 42 4.2 Nýtové spoje... 44 3

4.2.1 Přímé nýtování... 45 4.2.2 Nepřímé nýtování... 45 4.2.3 Druhy nýtů... 45 4.2.3.1 Konstrukční nýt... 45 4.2.3.2 Zápustní nýt... 46 4.2.3.3 Kotlový nýt... 46 4.2.3.4 Přesný nýt... 46 4.2.3.5 Nýt s plochou hlavou... 46 4.2.3.6 Nýt s čočkovou hlavou... 46 4.2.3.7 Zápustný nýt s velkou hlavou... 46 4.2.3.8 Trubkový nýt... 46 4.2.3.9 Dvoudílný nýt... 46 4.2.3.10 Nýt s trnem... 46 4.2.3.11 Výbušný nýt... 47 4.2.4. Pevnostní kontrola nýtových spojů... 47 4.2.4.1 Jednostřížné namánáhí nýtů... 47 4.2.4.2 Dvojstřížné namáhání nýtů... 47 4.3 Čepové spoje... 48 4.3.1 Pevnostní kontrola čepů... 49 4.3.1.1 Čep zatížen silou kolmou na os... 49 4.3.1.2 Kontrola čepu na střih... 51 5. Tvarové spoje hřídele s nábojem pomocí per, klínů a drážkování (konstrukční uspořádání, návrh a kontrola)... 53 5.1 Spojení hřídele s nábojem - drážkování... 54 5.1.1 Druhy drážkových spojů... 54 5.1.1.1 Drážkování rovnoboké... 55 5.1.1.2 Drážkování evolventní... 55 5.1.1.3 Drážkování jemné... 56 5.1.1.4 Výpočet drážkových spojů... 57 5.1.1.5 Dovolený tlak na bocích drážek p D... 57 5.2 Perové spoje... 58 5.2.1 Návrh a pevnostní kontrola perového spojení... 62 5.3 Klínové spoje... 64 4

5.3.1 Podélné kliny... 65 5.3.2 Příčné kliny... 67 6 Silové spoje hřídele s nábojem nalisované a svěrné spoje. Konstrukční uspořádaní, návrh a kontrola... 70 6.1. Nalisované spoje... 70 6.1.2 Napjatost v nalisovaném spoji s plným hřídelem (čepem)... 71 6.1.2.1 Napětí v náboji... 72 6.1.2.2.Napětí v hřídeli (čepu)... 73 7 Pružné spoje... 76 7.1 Pružný spoj... 76 7.2 Pružiny... 77 7.3 Rozdělení pružin... 78 7.3 Konstrukce pružin... 79 7.4 Materiály pro výrobu pružin... 80 7.4.1 Kovové pružiny... 80 7.4.2. Nekovové pružiny... 81 7.5 Deformační charakteristika pružin... 81 8 Materiálové spoje svářené, pájené, lepené... 84 8.1 Svařování... 84 8.1.1 Základní pojmy u tavného svářování dle ČSN 05 0000... 84 8.1.2 Druhy a tvary svařových spojů... 86 8.1.3 Svařování elektrickým obloukem... 87 8.1.4 Svařování elektrickým obloukem v ochranních atmosférách... 89 8.1.5 Základní pevnostní výpočty svarovaných spojů... 89 8.1.6 Koutové svary.... 92 8.2 Pájení... 94 8.2.1 Druhy pájení... 94 8.2.2 Základní rozdělění pájení... 95 8.2.3 Fyzikální podstata pájení... 96 8.2.4 Pájka... 96 8.2.5 Tavidla... 97 8.3 Lepení... 98 8.3.1 Pevnost lepeného spoje. Adheze a koheze.... 98 5

8.3.2 Teorie lepení... 100 8.3.3 Technologie lepení... 102 8.3.4 Lepidla... 104 8.3.4.1 Tavná lepidla... 105 8.3.4.2 Lepidla na bázi rozpouštědla. Kontaktní lepidla... 105 8.3.4.3 Polyuretanová lepidla... 106 8.3.4.4 Disperzní lepidla... 107 8.3.4.5 Kyanoakrylátová lepidla... 107 9 Tribologie, cyklické zatěžování, trvanlivost součástí... 109 9.1 Tribologie... 109 9.1.1 Definice... 109 9.1.2 Tribologická soustava... 110 9.1.3 Tření a jeho delění... 111 9.1.4 Mazání a jeho význam... 111 9.2 Cyklické zatěžování... 111 9.2.1 Definice cyklického zatěžování... 111 9.2.2 Druhy cyklů... 113 9.2.3 Wöhlerova krivka. Mez únavy.... 113 9.3 Opotřebení součástí... 114 9.3.1 Druhy opotřebení... 115 9.3.1.1 Adhezivní opotřebení... 115 9.3.1.2 Abrazivní opotřebení... 115 9.3.1.3 Erozivní opotřebení... 116 9.3.1.4 Kavitační opotřebení... 116 9.3.1.5 Únavové opotřebení... 117 9.3.1.6 Vibrační opotřebení... 117 10 Hřídele... 120 10.1 Hřídel... 120 10.2 Rozdělení hřídelí... 121 10.3 Konstrukce a druhy hřídelí... 122 10.3.1 Kliková hřídel... 122 10.3.2 Jalová hřídel... 122 10.3.3 Vačková hřídel... 122 6

10.3.4 Kardanová hřídel... 123 10.3.5 Královská hřídel... 123 10.4 Materiály pro výrobu hřídelí... 123 10.5 Dimenzování a kontrola hřídelí... 123 10.5.1 Výpočet nosných hřídelí... 123 10.5.2 Výpočet pohybových hřídelí... 124 10.6 Hřídelová těsnění... 126 10.6.1 Radiální hřídelová těsnění... 127 10.6.2 Axiální hřídelová těsnění... 128 11 Kluzná ložiska... 131 11.1 Kluzné ložiska... 131 11.2 Rozdělení kluzných ložisek... 133 11.3 Konstrukční provedení kluzných ložisek... 134 11.3.1 Pouzdra... 135 11.3.2 Pánve... 135 11.3.3 Segmentová ložiska... 135 11.4 Materiálové provedení kluzných ložisek... 135 11.4.1 Kompozice (slitiny olova a cínu)... 136 11.4.2 Cínové bronzy... 137 11.4.3 Olovené bronzy... 137 11.4.4 Spékané kovy... 137 11.4.5 Plasty... 137 11.4.6 Pryž... 137 11.4.7 Tvrzené tkaniny a vícevrstvé materiály... 137 11.5 Mazání kluzných ložisek... 138 11.5.1 Mazání tukem... 138 11.5.2 Mazání olejem... 138 11.5.3 Mazání tuhými mazivy... 138 11.6 Výpočet kluzných ložisek... 139 11.6.1 Výpočet průměru ložiska... 139 11.6.2 Výpočet ložiskové vůle... 140 11.6.3 Kontrola oteplení... 140 11.6.4 Ostatní výpočty pro kluzní ložisko... 141 7

12 Valivá ložiska... 143 12.1 Valivá ložiska... 143 12.2 Roztřídění valivých ložisek... 145 12.3 Konstrukce valivých ložisek... 145 12.4 Materiál valivých ložisek... 147 12.4.1 Chromové a chrommangánové ocele... 147 12.4.2 Prokalitelné ocele... 147 12.4.3 Indukčně kalené ložiskové ocele... 148 12.4.4 Chromniklové a manganochromové... 148 12.4.5 Ložiskové ocele pro vysoké teploty... 148 12.4.6 Keramické materiály... 149 12.5 Výpočet valivých ložisek... 149 12.5.1 Výpočet ložisek namáhaných staticky... 149 12.5.2 Výpočet ložisek namáhaných dynamicky... 150 13 Hřídelové spojky a brzdy základní druhy podle konstrukčního řešení, vlastnosti a vhodnost použití, základní funkční výpočet, návrh z katalogu specializovaného výrobce153 13.1 Spojky... 153 13.1.1 Účel spojek... 154 13.1.2 Základní rozdělení spojek... 155 13.1.3 Mechanicky neovládané spojky... 155 13.1.3.1 Nepružné spojky... 156 13.1.3.2 Pružné spojky... 160 13.1.4 Mechanicky ovládané spojky... 163 13.1.4.1 Výsuvné spojky... 164 13.1.4.2 Pojistné spojky... 166 13.1.4.3 Rozběhové spojky... 167 13.1.4.4 Volnoběžné spojky... 168 13.1.5 Hydraulické spojky... 169 13.1.6 Elektromagnetické spojky... 170 13.2 Brzdy... 170 13.2.1 Mechanické brzdy... 172 13.2.1.1 Radiální brzdy... 172 13.2.1.2 Čelisťové brzdy bubnové... 173 8

13.2.1.3 Čelisťové s vnitřními čelisťmi... 174 13.2.1.4 Pásové brzdy s vnějším pásem... 175 13.2.1.5 Jednoduchá pásová brzda... 175 13.2.1.6 axiální... 177 13.2.2 Hydrodynamické vířivé... 179 13.2.3 Elektrické brzdy... 179 13.2.4 Ovládání mechanických brzd... 179 9

1 Úvod do problematiky spojů ve strojírenství KLÍČOVÉ POJMY spojení hřídele s nábojem, rozdělení, silové spojení, tvarové spojení, předepjatá tvarová spojení, materiálové spojení CÍLE KAPITOLY Po prostudování kapitoly student bude znát význam spojení hřídele s nábojem. Pochopí různé druhy těchto spojení z různých hledisek a to zejména dle přenosu sil a dle způsobu namáhání. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 VÝKLAD 1.1 Spojení hřídele s nábojem Spojení hřídele s nábojem slouží k přenosu krouticího momentu z hřídele na náboj (v případě, že hřídel je hnacím elementem a náboj hnaným) nebo naopak z náboje na hřídel (náboj je hnací element a hřídel hnaný). Přenáší také axiální síly, příčné síly a ohybové momenty. Tato spojení jsou většinou standardizována. Podle způsobu přenosu zatížení z jedné součásti do druhé dělíme spojovací součásti do 3 skupin (příp. do 4, pokud se uvažuje kombinace tvarového a silového styku jako samostatná skupina). Podle provedení spoje se spoje dělí do 2 skupin rozebíratelné spoje (při demontáži je lze bez poškození rozebrat a při montáži znovu složit) a nerozebíratelné spoje (při 10

demontáži se poškodí spojovací nebo spojovaná součást a při opětovné montáži je nutné tyto poškozené součásti nahradit novými). 1.2 Rozdělení hřídele s nábojem 1.2.1 Dle způsobu přenosu sil Spojení hřídele s nábojem mohou být členěna dle způsobu přenosu sil na: Silová spojení (třecí styk). Tlakové, svěrné, pružnými kroužky a šroubové, klínové, svěrné, popř. nýtové. Přenos sil mezi hřídelí a nábojem se uskutečňuje pomocí třecího odporu, který vzniká nalisováním náboje na hřídel s přesahem, kuželovým samosvorným spojením, nebo pomocí zvláštních upínacích součástí, jako například různých dělených i nedělených svěrných nábojů. Obr. 1.1 Spojení silovým stykem. a) tlakový spoj hřídele s nábojem, který přenáší kroutící moment silovým stykem vzniklým předpětím tlakového spoje, b) spoj součásti průchozím šroubem, zatížený silou kolmou k ose šroubu Tvarová spojení. Čepové, kolíkové, pérové, drážkami a profilovými hřídeli popř. nýtové, klínové, šroubové. Kroutící moment se přenáší tvarem spojení hřídele s nábojem, např. různými typy drážkování, různě tvarovanými průřezy hřídele a náboje (pravoúhlé, 11

trojúhelníkové, polygonální,...), nebo prostřednictvím nějaké vložené tvarové součásti (nejčastěji pera). Obr. 1.2 Spojení tvarovým stykem. a.) přenos kroutícího momentu drážkovým hřídelem ne drážkový náboj, b.) přenos síly normálovým napětím u kloubového spoje táhla s vidlicí čepem. Předepjatá tvarová spojení. Šroubové, klínové, kuželovými kolíky a nýtové, spojují vlastnosti spojů silovým a tvarovým stykem. Jedná se o kombinaci některých výše uvedených způsobů spojení. Zvláštním případem tohoto druhu je spojení pomocí klínu. Spoje nýtové jsou uvedeny jak ve skupině spojů se silovým stykem, tak ve skupině spojů s tvarovým stykem, Do které skupiny konkrétní nýtový spoj patří, závisí na jeho provedení, Je-li nýtování provedeno za tepla, jsou po vychladnutí jednotlivé nýty "zataženy" tak, že vnější silové zatížení se přenáší z jedné spojované části na druhou pouze třením, tj. silově. Třecí síly vznikají ve stykových plochách spojovaných částí vlivem "zatažení" nýtů. Je-li nýtování provedeno za studena, nejsou většinou nýty dostatečně "zataženy" a vnější silové zatížení se přenáší z jedné spojované části na druhou přes dříky (těla) nýtů, tj. přes jejich tvar. V prvém případě jsou nýty namáhány na tah, ve druhém případě na smyk. 12

Materiálová spojení. Svarové, pájené a lepené. Náboj s hřídelem se spojí pomocí jiného (přídavného) materiálu např. lepením, pájením nebo svařováním. Přídavný materiál může být stejného charakteru a pevnosti jako základní materiál spojovaných částí (svařování). Přídavný materiál může být jiného charakteru a menší pevnosti než základní materiál spojovaných částí (pájení, lepení). Obrázek 1.3 Spojení materiálovým stykem. 1.2.2 Dle způsobu namáhání Malé kroutící momenty - spojení pomocí různých svěrek, pružných objímek, příčných kolíků Velké kroutící momenty s měnícím se smyslem otáčení - lisované spoje s přesahem, prstencové pružinové upínače (tzv. ringfedry), drážkování nebo polygonální profily Kroutící momenty se stálým smyslem otáčení - pero, Woodruffovo pero, příčný kolík, lepená a pájená spojení 13

Spojení s možností posuvu náboje v axiálním směru - rovnoboké drážkování, posuvné pero Spojení s možností posunu náboje v radiálním směru - spojení pomocí svěrek, smršťovací spojka. 1.2.3 Tvarová spojení hřídele s nábojem Tvarová spojení hřídele s nábojem mohou být dále dělena následovně: s přímým (nezprostředkovaným) přenosem krouticího momentu (např. drážkování), se zprostředkovaným přenosem krouticího momentu (krouticí moment mezi hřídelem a nábojem se přenáší prostřednictvím nějaké další součásti (součástí), např. pera). Tvarová spojení jsou na obvodu namáhána tlakovým napětím být spočítáno následovně:, které může kde jmenovitý kroutící moment koeficient rázů a namáhání koeficient nerovnoměrnosti obvodového zatížení koeficient ent nerovnoměrnosti podélného zatížení počet nosných členů (např. zubů v drážkování, per,...) nosná výška nosného členu nosná délka nosného členu pevnost nejméně pevného materiálu v sestavě roztečný rádius (profilu drážkování, průměr hřídele/vrtání v náboji při spojení perem, atp.) 1.3 Namáhání na tah, tlak Pro namáhání na tah i tlak platí stejné vztahy a rovnice. Velikost normálového napětí v tahu, resp. tlaku vypočítáme ze vztahu: 14

resp. Kde δ t je napětí v tahu, δ d je napětí v tlaku (dále jen - normálové napětí), F (N) - velikost síly namáhající součást na tah (tlak), S (mm 2 ) plocha průřezu kolmá ke směru působení síly F. 15

Tab. 1.1 Hodnoty mezi pevnosti, klzu, únavy a dovolených napětí (MPa) Rozměry součástí namáhaných na tah, resp. na tlak určujeme pomocí kritéria, podle něhož napětí v tahu (nebo tlaku) nesmí překročit velikost dovoleného napětí resp., kde δ Dt, resp. δ Dd (MPa) je dovolené napětí v tahu, resp. v tlaku. Deformace při namáhaní na tah (tlak) se zjistí ze vztahu:.. nebo. kde l(mm) je prodloužení (zkrácení) délky součásti, E (MPa) modul pružnosti materiálu v tahu, l(mm) délka součásti. 16

Tab. 1.2 Hodnoty modulů pružnosti v tahu a ve smyku. Napětí v tahu (tlaku) způsobené změnou teploty součásti, která se nemůže deformovat, určíme ze vztahu:.. kde α(k -1 ) je teplotní součinitel délkové roztažnosti, t(k) nebo (ºC) změna teploty (rozdíl teplot). 17

Tab. 1.3 Hodnoty součinitelů délkové roztažnosti. 1.4 Vrubový účinek Vruby mají poměrně velký vliv na pevnost a životnost výrobků. Při statickém zatížení omezuje vrub plastickou deformaci tělesa (zaškrcení tyče), a proto zvyšuje mez průtažnosti a konvenční mez pevnosti, která se blíží mezi skutečné pevnosti. Velmi ostrý vrub zvyšuje přechodovou teplotu dělící oblast tvárných a křehkých lomů a může vést ke kvazikřehkému lomu. U únavového (cyklického) zatěžování působí vrub snížení odolnosti proti vzniku únavových trhlin, neboť se uplatňuje špička napětí, která se vyjadřuje součinitelem koncentrace napětí. Vrub mění napjatost ve svém okolí a vytváří víceosé napětí. Při únavovém namáhání se vyjadřuje vliv vrubu na únavovou pevnost hodnotou součinitele účinku vrubu (vyjadřujícího únavovou odolnost materiálu při tvoření trhlin v kořeni vrubu). Při hodnocení životnosti těles je vrubový účinek snížen, protože trhlina se z kořene vrubu šíří přes průřez již bez vlivu výchozího vrubu. 18

STUDIJNÍ MATERIÁLY FISCHER, U. a kol., 2004. Základy strojnictví. Praha: Europa-Sobotáles cz, s.r.o.. ISBN 80-86706-09-5. HLUCHÝ, M., 1984. Strojárska technológia I. Praha: SNTL. OTÁZKY A ÚKOLY 1. Jaký přenos zabezpečuje spojení hřídele s nábojem? 2. Jak mohou být členěna spojení hřídele s nábojem dle způsobu přenosu sil? 3. Jakým způsobem se spojí náboj s hřídelem při materiálovém spojení? 4. Pomocí jakých spojení se přenáší malé krouticí momenty? 5. Co je Woodruffovo pero? KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Spojení hřídele s nábojem slouží k přenosu krouticího momentu z hřídele na náboj nebo naopak z náboje na hřídel. Přenáší také axiální síly, příčné síly a ohybové momenty. 2. Silová spojení (třecí styk), tvarová spojení, kde se krouticí moment přenáší tvarem spojení hřídele s nábojem, předepjatá tvarová spojení: jedná se o kombinaci některých výše uvedených způsobů spojení. 3. Náboj s hřídelem se spojí např. lepením, pájením nebo svařováním. 4. Malé krouticí momenty se přenáší spojení pomocí různých svěrek, pružných objímek, příčných kolíků. 5. Složí k přenosu krouticích momentů se stálým smyslem otáčení. 19

2 Šroubové a závitové spoje KLÍČOVÉ POJMY Šroubový spoj, závit, šroub, matice, silové poměry ve šroubovém spoji Po prostudování této kapitoly student pochopí význam šroubového stroje ve strojírenství. 7 CÍLE KAPITOLY ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY VÝKLAD 2.1 Základní definice Šroubový spoj Šroubový spoj je velmi častý, jednoduchý, spolehlivý rozebíratelný spoj používaný pro spojování součástí. Používá se zejména pro spojení jedné nebo vícero součástí, na nastavení vzájemné polohy součástí, nebo na změnu kroutícího momentu v osovou sílu (pohyblivé šrouby). 20

Obr. 2.1 Šroub Princip působení sil v závitu Sila otáčející šroubem je menší, než sila, která šroub posouvá. Závit je zatočená naklonená rovina, sila posuvu po naklonené rovine je menší než síla potřebná na zvednutí tělesa bez naklonené roviny Sila F 1 potřebná k otáčení šroubu je kde F 2 je síla, která šroub posouvá, d je výška jednoho závitu, r je poloměr šroubu. Závit Závit je technický prvek strojní součásti, jehož tvar je určen závitovou plochou. Ta vznikne navinutím profilu na válec podél šroubovice, v daném stoupání. 2.2 Názvosloví závitového spoje 21

Obr. 2.2 Profil metrického závitu Základní profil je teoretický profil závitu v osové rovině určený rozměry a úhly společnými vnitřnímu a vnějšímu závitu. Jmenovité profily závitu vnitřního a vnějšího se od sebe mohou lišit jsou určeny jmenovitými rozměry a jmenovitými úhly a vzniknout z teoretického profilu tzv. krácením profilu, tj. okosením nebo zaoblením hran). Rozteč P (S) je vzdálenost mezi stejnolehlými boky sousedních závitů ve směru osy závitu. Velký průměr válcového závitu šroubu d, (u matice D) je průměr myšleného válce opsaného hřbetům vnějšího závitu, respektive vepsaného dnům vnitřního závitu. Malý průměr válcového závitu šroubu d 1 (u matice D 1 ) je průměr myšleného válce vepsaného dnům vnějšího závitu, respektive u matice opsaného hrbětům vnitřního závitu. Střední průměr válcového závitu šroubu d 2,(u matice D 2 ), je průměr myšleného válce souosého ze závitem, jehoš každá tvořící přímka protíná profil závitu tak, aby se průsečnice tvořící (povrchové) přímky s vybráním závitu promítla do osy závitu jako úsečka o délce rovné polovině rozteče. Jmenovitý průměr závitu je průměr, k němuž se vztahují úchylky. Obvykle se jedná o velký průměr vnějšího závitu (šroub) nebo velký průměr vnitřního závitu (matice). Ve všech případech se symbol D používá pro označení průměru vnitřního závitu v matici a symbol d pro označení průměrů vnějšího závitu šroubu. Úhel profilu závitu α je úhel, který svírají dva protilehlé boky profilu závitu v rovině procházející osou závitu. Úhel boku závitu je úhel, který svírá bok závitu s kolmicí k ose závitu v rovině procházející osou závitu. Menší z obou úhlů boku u nesouměrných profilů se označuje γ, větší úhel boku se označuje β. Součet obou úhlů závitů je roven úhlu profilu závitu. Pro souměrné profily závitu platí α = 2 β. 22

Výška závitu se označuje h 3 u vnějšího a H 4 u vnitřího závitu. Je to vzdálenost mezi hrbětem a dnem závitu v rovině osového řezu ve směru kolmém k ose závitu. Stoupání P h je vzdálenost mezi stejnolehlými boky jednoho závitu ve směru osy, tedy vzdálenost, o kterou se matice posune ve směru osy šroubu při jednom jejím otočení o 360º. Jednoduchý závit je závit vytvořený jedním profilem, jeho stoupání je stejné jako rozteč. Vícechodý závit je vytvořený dvěma nebo více profily. Šroub má tedy dva nebo více profilů závitů vyřezaných vedle sebe. Úhel stoupání ψ je úhel svíraný tečnou k závitu na středním průměru a rovinou kolmou k ose závitu. Délka zašroubování je rozměr v osové rovině závitu, na kterém sa stýká závit vnějsí se závitem vnitřním. 2.3 Rozdělení závitů Podle směru pravý (obvykle) levý Podle tvaru hranaté kuželové Podle počtu závitů jednochodý vícechodý Podle tvaru profilu trojúhelníkové lichoběžníkové oblé 23

Podle navinutí vnitřní (matice) vnější (šroub) 2.4 Mechanické vlastnosti šroubů a matic Tab. 2. 1 Přehled mechanických vlastnstostí závitových spojů 2.5 Síly ve šroubovém spoji při tahovém zatěžování 2.5.1 Šroubové spoje bez předpětí Namáhání a tím i výpočet rozměrů šroubů bez předpětí zatížených stálou tahovou silou bude různý podle toho, zda je šroub při utahování nezatížený (např. šrouby spřáhel kolejových vozidel, šroub v závěsu jeřábového háku apod..) při utahování zatížen silou určité velikosti (např. pohybový šroub zvedáku, napínací šroub s maticí apod..). 24

Při zatížení šroubu osovou silou se kontroluje napětí v průřezu jádra šroubu za předpokladu jeho rovnoměrného rozložení. Obr. 2.3 Šroubový spoj a) při utahování nezatížený; b) při utahování zatížený 2.5.2 Šroubové spoje s předpětím Předpěté šroubové spoje se používají tam, kde se vyžaduje: zvýšení únavové pevnosti spojovacích a někdy i spojovaných součástek zajištění těsnosti spoje zajištění tuhosti spoje zamezení vzniku rázů při střídavém zatížení nebo zmírnění účinků rázu Obr. 2.4 Silové a deformační poměry v předpjatém šroubovém spoji. 25

V šroubovém spoji vzniká po dosažení matice a hlavy na spojované části dalším dotahováním matice předpětí, které způsobuje pružnou deformaci šroubu a spojovaných částí. Šroub se působením předpětí F 0 prodlouží o l 1 a zároveň se spojované části stlačí o l 2 (obr. 2.4). Pokud ve šroubovém spoji vzniká pouze pružná deformace, prodloužení šroubu i stlačení spojovaných částí je úměrné vzniklému predpětí F 0. 2.5.3 Namáhání šroubového spoje na ohyb Pokud dosáhne matice nebo hlava šroubu na šikmou dosedací plochu, vznikne v závitové části dříku šroubu přídavné ohybové napětí. Toto napětí je způsobeno: Odchylkami kolmosti dosedacích ploch hlavy šroubu od osy závitu Odchylkami kolmosti dosedacích ploch matice od osy závitu Deformací spojených částí Odchylkami kolmosti dosedacích ploch spojovaných částí 2.5.4 Namáhání šroubového spoje silou kolmou na os šroubu Ve spojích zatížených silou kolmou na osu šroubu může být provozní síla přenášena třením nebo tvarovým stykem 26

Obr. 2.5 Šrouby namáhané silou kolmou na osu a) staticky zatížený spoj, b) dynamicky zatížený spoj c) spoj s lícovaným šroubem d) pojištění spoje kolíkem nebo perem V případě proměnlivého zatížení, pokud je šroub uložen v spojovaných částech s vůlí, může dojít k vzájemnému posunutí spojovaných částí a tím i k naklonění šroubu v otvoru (obr. 2.5). V důsledku naklonění šroubu dochází ve šroubu k přídavnému namáhání na ohyb, které je poměrně velké a nežádoucí. 2.6 Pohybové šrouby Pohybové šrouby slouží k proměně rotačního pohybu na posuvný, nebo na změnu kroutícího momentu v osovou sílu. Pro pohybové šrouby se nejčastěji volí lichoběžníkový závit rovnoramenný, který může přenášet obousměrné zatížení. Pro jednosměrně velmi zatížené šrouby se volí lichobežníkový závit nerovnoramenný. Kvůli snížení ztrát třením, opotřebením a zvětšením účinnosti šroubu se používají vícechodé závity. 27

Obr. 2.6 Svěrák příklad pohybového šroubu Možné konstrukční uspořádání pohybového šroubu a matice. šroub se otáčí a posouvá v nehybné matici (šroubový zdvihák, ventily proudících médií). šroub se otáčí a neposouvá, posouvá se matice v axiálním směru (suport na ložích soustruhu) matice se otáčí a neposouvá, posouvá se šroub v axiálním směru STUDIJNÍ MATERIÁLY FISCHER, U. a kol., 2004. Základy strojnictví.. Praha: Europa- -Sobotáles cz, s.r.o.. ISBN 80-86706-09-5. HLUCHÝ, M., 1984. Strojárska technológia I. Praha: SNTL. NOVÁ, I., 2006. Technologie I. Slévání a svařování.. Liberec, 169 s. ISBN 80-7372-052-3. 3. NOVOTNÝ, J. a kol., 2006. Technologie I.. Praha: Nakladatelství ČVUT, 227 s. ISBN 80-01- 02351-6. ČSN 05 0000 Základní pojmy při sváření. ŽIAČIK, A., BARBORÁK, O., FILO, M., LAHUČKÝ, D., BUCHA, J., 2008. Časti strojov I.: Vybrané kapitoly/. - 1. vyd. - Trenčín: TnUAD, 233 s. ISBN 978-80-8075 8075-340-5. 28

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte šroubový spoj! 2. Definujte základní pojmy závitového spoje! 3. Jak dělíme závity? 4. Čím je způsobeno ohybové napětí ve šroubovém spoji? 5. Vymenujte možné konstrukční uspořádání pohyblivého šroubového spoje. Vymenujte příklady. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Šroubový spoj je jeden ze základních a univerzálních konstrukčních prvků, které se používají pro spojování konstrukcí, jejich částí a dílů. Skládá se ze šroubu a matice, případně jedné nebo dvou podložek. 2. Základní názvosloví závitového spoje je popsáno v kapitole 2.2. 3. Závity dělíme dle vícero hledisek podle směru (pravý, levý), tvaru (hranaté, kuželové), počtu závitů (jednochodé, vícechodé), tvaru profilu (trojuhelníkové, lichobežníkové, oblé), navinuté (vnitřní, vnější). 4. Ohybové napětí ve šroubovém spoji je spůsobeno: a) odchylkami kolmosti dosedacích ploch hlavy šroubu od osy závitu, b) odchylkami kolmosti dosedacích ploch matice od osy závitu, c) deformací spojených částí, d) odchylkami kolmosti dosedacích ploch spojovaných částí. 5. Uspořádání pohybového šroubu a matice může být: - šroub se otáčí a posouvá v nehybné matici - šroub se otáčí a neposouvá, posouvá se matice v axiálním směru - matice se otáčí a neposouvá, posouvá se šroub v axiálním směru. Příklad použití pohybového šroubu je např. šroubový zdvihák, ventily médií - kohoutky, svěrák. 29

3 Předpjaté šroubové spoje KLÍČOVÉ POJMY Předpjatý šroubový spoj, zatížení šroubového spoje, deformace šroubu CÍLE KAPITOLY Po prostudovaní tejto kapitoly študent: - pozná případy predpjatých šroubových spojů - pochopí působení sil v predpjatých ve šroubových spojích - pochopí princip proměnlivého zatížení ve šroubových spojích 9 ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY VÝKLAD 3.1 Šroubové spoje s předpětím Předpjaté šroubové spoje se používají tam, kde se požaduje: a) zvýšení únavové pevnosti spojovacích a někdy i spojovaných součástek, b) zajištění těsnosti spoje, c) zajištění tuhosti spoje, d) zamezení vzniku rázů při střídavém zatížení nebo zmírnění účinků rázu. V šroubovém spoji vzniká po dosažení matice a hlavy šroubu na spojované části dalším dotahováním matice předpětí, které způsobuje pružnou deformaci šroubu a 30

spojovaných částí. Šroub se působením předpětí F o prodloužena o l 1 a zároveň se spojované časti stlačí o l 2. Pokud ve šroubovém spoji vzniká pouze pružná deformace, prodloužení šroubu i stlačení spojovaných částí je úměrné vzniklému předpětí F o Obr. 3.1 Silové a deformační poměry v předpjatém šroubovém spoji l 1 =F o.c 1 l 2 =F o.c 2 nebo kde c1 je deformační konstanta šroubu, c2 je deformační konstanta spojovaných částí, k1 je konstanta tuhosti materiálu šroubu, k2 je konstanta tuhosti materiálu spojovaných částí. Závislost deformace šroubu a spojovaných částí od síly F lze znázornit graficky v diagramu F - l (obr. 3.2 a). Uvedené závislosti jsou lineární. Přímka a charakterizuje průběh deformace šroubu; přímka b charakterizuje průběh deformace spojovaných částí (přírub). 31

Předpětí Fo, které je společné šroubu i spojovacím částem, je dáno úsečkami bodů CC a C 1 C 1. Pokud se přenese v diagramu přímka b do polohy b, pak úsečka O 1 O 2 udává celkovou deformaci spoje. Tedy Působením provozní síly F pr se zvětší síla ve šroubu z původního předpětí F 0 o přírůstek F 1 na hodnotu Vzájemná přítlačná síla mezi spojovanými částmi, vyvozena předpětím Fo, poklesne vlivem provozní síly na hodnotu kde F1 - přírůstek zatížení ve šroubu, F2 - úbytek zatížení v spojovaných částech, F1 - síla ve šroubu, F2 - zbytková síla v spojovaných částech zabezpečující těsnost spoje 32

Obr. 3.2 Závislost deformace šroubu a spojovaných částí Pro určení síly ve šroubu F1 a přítlačné síly v spojovaných částech F2 je třeba vypočítat hodnoty F1 a F2. Pokud na šroubový spoj působí provozní síla, lze napsat rovnici rovnováhy sil, např. na horní spojovací část: 0 Po dosazení za a bude V rovnici jsou dvě neznámé F1 a F2, proto se ručí druhá rovnice změny deformace šroubu a spojovaných částí, která je způsobena přírůstkem zatížení ve šroubu a poklesem zatížení v spojovaných částech (obr. 3.2). Vlivem přírůstku síly F1 se zvětší deformace šroubu o hodnotu, ale současně vlivem úbytku zatížení v spojovaných částech F 2 poklesne deformace spojovaných částí o hodnotu 33

Jak vyplývá z diagramu (3.2b) tyto deformace jsou stejné. Řešením předchozích rovnic vypočteme Skutečná síla ve šroubu bude a přítlačná síla v spojovaných částech Pokud provozní síla vzroste na mezní hodnotu Fm, klesne síla F2 na nulovou hodnotu a spoj netěsní. Pro velikost mezní síly Fm lze z obr. 3.2b odvodit vztah mezi Fm, F 0, c 1, c 2. Z podobnosti trojúhelníků O 1 MO 2 a O 1 C C vyplývá Potom Z vypočtené rovnice vyplývá, že při daných deformačních konstantách c 1, c 2 uvedená provozní síla roste s předpětím F 0. Pro těsnost spoje platí podmínka: 0. 34

Často se přítlačná síla v spojovaných částech F 2 volí v závislosti od provozní síly F pr při požadované těsnosti ψ, která se volí v rozmezí 0,2 až 1. Pak Potřebné předpětí ve šroubovém spoji při dané těsnosti se vypočte ze vztahu vyplývajícího z deformačního diagramu z obr. 3.2b Síla ve šroubu bude: 1 3.2 Šroubové spoje s proměnlivou provozní silou U většiny předpjatých šroubových spojů dochází k proměnlivému zatížení, jako jsou např. předpjaté spoje dělených ojnic a ložiskových vík pístových strojů apod.. Variabilní provozní zatížení může mít charakter mizejícího zatížení, pulsujícího, střídavého souměrného a nesouměrného zatížení. 35

Obr. 3.3 Předpjatý šroubový spoj s proměnlivou provozní silou: a) diagram průběhu sil, b) deformační diagram a Smithův diagram Na obr. 3.3a je znázorněn průběh mizejícího zatížení ve šroubovém spoji, tj. pokud se provozní síla mění od nuly do maxima. To znamená, že zatížení šroubu se mění od F 1 do F 0 kolem střední hodnoty F 1m. Podobně i zatížení spojovaných částí se mění od hodnoty F 2 do F 0 kolem střední hodnoty síly F 2m. Charakteristické hodnoty napětí σ a, σ m, σ n, σ h potřebné pro únavovou kontrolu šroubu se vypočtou z příslušných sil působících v průřezu šroubu. Tedy 2 36

Na obr. 3.3b je uveden rozbor výpočetního mezního stavu cyklicky zatěžovaného spoje. Pracovní diagram je znázorněn v souřadnicích σ - ε,, kde ε je poměrná deformace. Redukovaný Smithův diagram znázorňuje pro daný materiál a vrub mezní stav. Syntéza obou diagramů je důležitým podkladem pro výpočet součinitele bezpečnosti k a a k h, které se stanoví porovnáním mezní amplitudy σ A s jmenovitou amplitudou σ a mezního horního napětí σ H a jmenovitým horním napětím σ h Mezní únavové (Wöhlerovo) napětí (σ CK ) d pro daný materiál, vrub a velikost je dáno vztahem Kde σ C je mez únavy hladké zkušební tyče. Kde ϑ σ je součinitel velikosti. STUDIJNÍ MATERIÁLY SKOČOVSKÝ, P. a kol., 2006. Náuka o materiály pre odbory strojnícke. Vydavateľstvo ŽU, 349s. ISBN 80-8070-593-3. Žilina: ŽIAČIK, A., BARBORÁK, O., FILO, M., LAHUČKÝ, D., BUCHA, J., 2008. Časti strojov I.: Vybrané kapitoly/. - 1. vyd. - Trenčín: TnUAD, 233 s. ISBN 978-80-8075 8075-340-5. OTÁZKY A ÚKOLY 1. V jakých případech se používají předpjaté šroubové spoje. 37

2. Vysvětlete te silové a deformační poměry v předpjatém šroubovém spoji. 3. Jaká je podmínka pro těsnost šroubového spoje. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Předpjaté šroubové spoje využívají zejména na zvýšení únavové pevnosti spojovacích a někdy i spojovaných součástek, na zajištění těsnosti spoje, na zajištění tuhosti spoje a na zamezení vzniku rázů při střídavém zatížení nebo zmírnění účinků rázu. 2. Viz. obr. 3.2 a prislouchající odvození. 3. Pro těsnost šroubového spoje platí podmínka:. Přičemž platí. Těsnost ψ, se volí v rozmezí 0,2 až 1. 38

4 Kolíkové, nýtové a čepové spoje KLÍČOVÉ POJMY kolíkový spoj, nýtový spoj, čepový spoj, pevnostní kontrola CÍLE KAPITOLY Po preštudovaní této kapitoly student pochopí princip a využití kolíkových, nýtových, čepových spojů. Také se obeznámí s pevnostní kontrolou těchto spojů. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 6 VÝKLAD 4.1 Kolíkové spoje Spojovací kolíky se používají pro spojování a pojišťování strojních součástek nebo k zajištění vzájemné polohy spojených částí, případně na zachycení sil působících kolmo na osu kolíku. Jedná se o jeden z nejjednodušších způsobů spojení součástí pomocí tvarového styku. 39

Obr. 4.1 Rozdělení kolíkových spojů 4.1.1 Rozdělení kolíků 4.1.1.1 Válcový kolík Může mít jednu stranu kuželově upravenu pro snadnější montáž, případně mohou mít konce kolíku úpravu pro roznýtování v tomto případě se kolík blíží spíše k nýtům. 4.1.1.2 Kuželový kolík Má velmi mírnou kuželovitost (1:50). Po naražení do kuželově přesně vyrobených otvorů je tento kolík samosvorný nemůže vypadnout z otvorů bez působení vnější demontážní síly. Nevýhodou je náročná výroba přesných kuželových 40

otvorů 4.1.1.3 Pružný kolík Má v řezu tvar podobný písmenu C. Při montáži se mírně zmáčkne, poté vloží do otvorů a uvolní. Pružnost materiálu jej vrátí do původní polohy. Nevyžaduje tak přesnou výrobu a současně díky vysokému tření je tento kolík samosvorný. Nevýhodou je menší pevnost. 4.1.1.4 Rýhovaný kolík Spojuje výhodu jednodušší výroby válcového otvoru proti otvorukuželovému se tohoto typu kolíku. Rýhy vytvořené na konci kolíku se zaryjí do materiálu spojovaných součástí a tímto jsou tam pojištěny proti vypadnutí. Rozdělení kolíku podle vzájemné polohy: Příčný kolík Podélny kolík Tangenciální kolík 4.1.2 Pevnostní kontrola kolíků 4.1.2.1 Příčný kolík zatížený silou kolmou na os Kolík je namáhán na střih silou F a měrným tlakem Kontrola na střih 2 2. Obr. 4.2 Příčný kolík zatížený silou kolmou na os 41

Kontrola měrného tlaku v čepu a v náboji ; 4.1.2.2 Příčný kolík zatížený silou kolmou na os Při přenosu kroutícího momentu M k je válcový kolík je namáhán na střih a měrný tlak.. Obr. 4.3 Podélny kolík zatížený obvodovou silou Kontrola na střih 2 Kontrola měrného tlaku v místě dotyku kolíku s nábojem 2 0,5 4.1.2.3 Příčný kolík zatížený obvodovou silou Kolík je při přenosu točivého momentu M k namáhán obvodovou silou na střih a měrným tlakem. 42

Kontrola kolíku na střih od obvodové síly Obr. 4.4 Příčný kolík zatížený obvodovou silou 4 Kontrola měrného tlaku v místě dotyku kolíku s hřídelí Měrný tlak v místě dotyku kolíku s hřídelí je nerovnoměrně rozložen, to znamená, že zatěžovací obrazec je trojúhelníkového tvaru. Přenášený točivý moment vyjádřený maximálním měrným tlakem je: 2 3 kde F 0 je síla působící v těžišti zatěžovacího obrazce. Velikost síly F' vyjádřené měrným tlakem je 2 2 pak po dosazení do rovnice pro výpočet M k bude 2 2 2 3 6 43

Maximální měrný tlak z předchozí rovnice je: 6 Kontrola měrného tlaku v místě dotyku kolíku s nábojem 2 2 2 4 Poté měrný tlak je 4 Dovolené napětí a dovolené měrné tlaky p D se při statickém zatížení volí v závislosti na použitých materiálech následovně: Materiál kolíků 11107 11343 11423 11600 11700 Dovolené napětí [MPa] 50 50 70 85 100 Materiál spojovaných částí 11500 11373 ocel na odlitky šedá litina Dovolený měrný tlak p D [MPa] 110 80 70 Tab. 4.1 Materiálové složení kolíků a spojovaných částí Při proměnlivém (střídavém) zatížení se snižuje dovolené napětí o 30 % až 50 %. Pro rýhované kolíky se snižuje hodnota dovoleného napětí o 20 % a měrný tlak p D až o 30 %. 4.2 Nýtové spoje Nýtováním se vytváří nerozebíratelný spoj. Principem nýtování je vložení jedné součásti do druhé (přímé nýtování) nebo pomocné součásti nýtu do otvorů ve spojovaných součástech a následné deformaci materiálu, který vyčnívá z otvoru. Tím se vytvoří 44

hlava nýtu, která brání vypadnutí součásti (nebo nýtu) z otvoru. Aby bylo možné deformovat vyčnívající materiál, musí být tento materiál dostatečně tvárný. Výhody: pružnost spoje spoj není tepelně ovlivněn Nevýhody: pracnost při vytváření spoje menší přesnost spojení menší pevnost spoje zeslabení spojovaných materiálů otvory problematické dosažení těsnosti spoje hlučnost při výrobě nýtového spoje Z přehledu výhod a nevýhod vyplývá, že použití nýtování je dnes méně časté. 4.2.1 Přímé nýtování U přímého nýtování je na jedné součásti vytvořen výčnělek, který svými příčnými rozměry odpovídá otvoru v součásti druhé. Po vložení obou součástí do sebe se přečnívající část rozklepe a tím dojde ke spojení. 4.2.2 Nepřímé nýtování Aby bylo možné realizovat nýtový spoj, musí být materiál velmi dobře tvárný za studena. Tuto podmínku splňují materiály s malou pevností. Pro spojení běžně používaných materiálů se proto využívá nepřímé nýtování ve spojovaných součástech jsou vyrobeny otvory, do kterých se vloží nýt z měkkého materiálu a tento nýt se rozklepe. Aby byl spoj dostatečně pevný, používá se ke spojení současně několik nýtů. 4.2.3 Druhy nýtů 4.2.3.1 Konstrukční nýt má na jedné straně půlkulovou hlavu 45

4.2.3.2 Zápustní nýt Má hlavu ve tvaru kužele; ve spojovaných materiálech je kuželové zahloubení, do kterého hlava zapadne (na druhé straně se vytvoří rozklepáním), takže nýt nevyčnívá nad spojovaný materiál. 4.2.3.3 Kotlový nýt Tento nýt se používal pro výrobu nádob pro menší tlaky. Má pod hlavou široký válcový nákružek. Při roznýtování se tento nákružek přitlačí ke spojovanému materiálu a tlakem mezi nýtem a spojovaným materiálem se zvýší těsnost spoje. 4.2.3.4 Přesný nýt Je shodný s konstrukčním nýtem, pouze je vyroben s větší přesností 4.2.3.5 Nýt s plochou hlavou Nevyžaduje zahloubení ve spojovaných materiálech a současně hlava nýtu příliš nepřesahuje spojovaný materiál. 4.2.3.6 Nýt s čočkovou hlavou Používá se pro spojení poměrně tenkých materiálů, kde nýty nesmí příliš vyčnívat nad materiál. Jedná se o kombinaci tvaru nýtu zápustného a s plochou hlavou. 4.2.3.7 Zápustný nýt s velkou hlavou Využíva se pro spojení velmi měkkých materiálů. Důležitá je velká plocha hlavy nýtu, aby při nýtování nebo následném zatížení nýtu nedošlo ke zvětšení otvoru a vypadnutí nýtu ze spoje. 4.2.3.8 Trubkový nýt Využívá snadnou deformovatelnost trubky. Pro roznýtování není třeba velká síla. 4.2.3.9 Dvoudílný nýt Princip spojení dvoudílného nýtu je zcela odlišný. oba díly nýtu jsou duté a při naražení kuželové levé části do otvoru v pravé části dojde k velkému tření, které brání rozpojení obou částí (samosvornost). 4.2.3.10 Nýt s trnem Je jedním z nejpoužívanějších nýtů i v dnešní době. Používá se tam, kde jsou součásti přístupné pouze z jedné strany. Nýt se vloží do připravených otvorů ve spojovaných součástech tak, že trn vyčnívá ven. Těleso nýtu je duté a trn je napojen na levý konec nýtu přes tuto dutinu tak, že je v místě napojení zúžen. Pomocí speciálních nýtovacích 46

kleští se trn vytahuje z nýtu. Tím se deformuje levý konec nýtu (v prostoru za součástmi, kde není přístup) a takto se vytvoří druhá hlava nýtu. Po ukončení nýtování se trn v místě zúžení odlomí. 4.2.3.11 Výbušný nýt Používá v nepřístupných prostorách. Po úderu do hlavy nýtu dojde k výbuchu malé nálože umístěné na druhém konci nýtu. Tento výbuch deformuje materiál a vytvoří se druhá hlava. Cenově je tento nýt samozřejmě značně drahý. 4.2.4. Pevnostní kontrola nýtových spojů Nýty jsou namáhány na střih a otlačení. Obr. 4.5 Jednostřižné a dvoustřižné namáhání nýtů 4.2.4.1 Jednostřížné namánáhí nýtů 4 kde je menší průmět stykové plochy nýtu se spojovanou součástí (pokud jsou součásti ze stejného materiálu. V případě, že větší součást je z měkčího materiálu, je nutné kontrolovat i tuto součást na otlačení. 4.2.4.2 Dvojstřížné namáhání nýtů 47

2 2 kde je menší průmět stykové plochy nýtu se spojovanou součástí pričemž se musí pravá součást uvažovat za jednu nerozdělenú desku. kde d je průměr nýtu a je menší šířka spojovaných součástí (pokud není stejná), u dvoustřižného nýtu se u pravé součásti bere součet obou desek. 4.3 Čepové spoje Čepy se používají k rozebíratelnému kloubovému spojení součástek, které přenášejí kolmé síly na osu čepu. Čepmi spojené součástky se mohou i vzájemně pootočit kolem osy čepu o malý úhel. Konstrukce čepů je různá, vyrábějí se s hlavou nebo bez hlavy (tzv. hladké čepy), materiál čepů je 11107, 11 108, 11110, nebo konstrukční ocel 11370, 11420. Namáhané čepy se povrchovo kalí a brousí. Obr. 4.6 Spojovací čepy 48

Čepy musí být pojištěny proti axiálnímu pohybu (proti vypadnutí ze součásti). Na obrázku 4.7 jsou znázorněny některé příklady pojištění proti pohybu. Obr. 4.7 Pojištení čepů 4.3.1 Pevnostní kontrola čepů 4.3.1.1 Čep zatížen silou kolmou na osu Čep zatížen silou kolmou na osu je namáhaný na ohyb a měrný tlak. Předpokládá se rovnoměrné rozložení měrného tlaku na dotykové ploše mezi čepem a spojovanýma částmi (obr. 4. 8). Dovolené napětí v ohybu se pro klidné zatížení volí 90 až 100 MPa (u materiálů 11370, 11420), při proměnlivém zatížení se táto hodnota snižuje o 0,67 až 0,5 krát. Dovolený měrný tlak při pevném spoji se volí 90 až 100 MPa, pokud náboj 49

vykonáva relativní pohyb vůči čepu je hodnota 10 až 15 MPa. Dovolené smykové napětí pro klidné zatížení se volí 50 až 60 MPa pro materiály 11370 nebo 11420. Obr. 4.8 Silové poměry v spojovacím čepu. Kontrola na ohyb 32 8 4 Při zvoleném dovoleném napětí materiálu čepu bude potřebný průměr d: 4 Kontrola měrného tlaku v místě styku čepu s otočným nábojem V místě styku pevného uložení čepu: 2 50

4.3.1.2 Kontrola čepu na střih Pokud spojované části nedovolují vznik ohybové deformace, nebo jsou tvrdší než materiál čepu, kontroluje se čep i na střih: STUDIJNÍ MATERIÁLY DOLEČEK, J., HOLOUBEK, Z., 1988. Strojnictví I. 2. vyd. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury. Bez ISBN. Kapitola 2.6., s. 33 35. ČERNOCH, S., 1977. Strojně technická příručka.. Svazek 1. 13. vyd. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury. Bez ISBN. Kapitola 6.1.7., s. 640 642. SHIGLEY, J. E., MISCHKE, Ch. R., BUDYNAS, R. G., 2010. Konstruování strojních součástí. Vysoké učení technické v Brně. Brno: VUTIUM. ISBN 978-80-214-2629-0. DILLINGER, J. a kol., 2007. Moderní strojírenství pro školu i praxi.. Vydání první. Praha: Europa-Sobotáles. ISBN 978-80-86706-19-1. OTÁZKY A ÚKOLY 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Definujte kolíkový spoj. Popište technologii výroby a materiálové složení kolíků. Jaké základní způsoby nýtování poznáte? Vymenujte a popište základní druhy nýtů. Popište princip trhacího nýtu. Popište namáhání nýtových spojů. Popište využití čepů v strojírenství. Jaké základní druhy čepů poznáte. Popište druhy namáhání čepu. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 51

1. Spojovací kolíky se používají pro spojování a pojišťování strojních součástek nebo k zajištění vzájemné polohy spojených částí, případně na zachycení sil působících kolmo na osu kolíku. Válcové kolíky se vyrábí z oceli tř. 11100 (11107, 11109), 11300, 11400, 11600, válcové pružné a kalené kolíky 11700 a válcové kalené kolíky 11900. 2. Nýtování se delí na přímé a nepřímé. Přímé nýtování je způsob nýtování, kdy je jako nýt použita část materiálu jednoho ze spojovaných dílů. Nepřímé nýtování je potom takové nýtování, kdy je nýt samostatnou součástí, která se vkládá do vytvářeného nýtového spoje. 3. Nýty poznáme: konstrukční, presní, trhací, kotlové, zápustní, trubkové, dvoudílné, nýty s čočkovou hlavou, nýty s plochou hlavou, výbušné nýty. Detailní popis jednotlivých nýtů je uveden v kapitole 4.2.3. 4. Nýty s trhacím trnem se používají při přístupu ke spoji pouze z jedné strany. Po osazení do otvoru se použijí nýtovací kleště, kterými se vytvoří hlavička nýtu po zatažení za dřík, který se posléze kleštěmi zkrátí (zastřihne). 5. Nýty jsou namáhány zejména na střih a otlačení. Detailní popis namáhaní nýtů je uveden v kapitole 4.2.4. 6. Čepy slouží převážně ke kloubovému spojení součástí, ve spojovaných součástech jsou na rozdíl od kolíků uloženy s vůlí. Ve strojírenských konstrukcích se používají jak čepy normalizované, tak nenormalizované. Základní druhy čepů jsou: hladké (s otvorem pro závlačku nebo bez otvoru), s hlavou (s otvorem pro závlačku nebo bez otvoru), duté, pružné. 7. Čepy jsou zatížené silou kolmou na osu. Běžně se při dimenzování čepového spoje provádí výpočet na ohyb a otlačení (měrný tlak). Pokud spojované části nedovolují vznik ohybové deformace, kontroluje se čep i na střih Smykové namáhání se zanedbává. Výpočty viz kapitola 4.4. 52

5. Tvarové spoje hřídele s nábojem pomocí per, klínů a drážkování (konstrukční uspořádání, návrh a kontrola) KLÍČOVÉ POJMY Spojení hřídele s nábojem, rozdělení, silové spojení, tvarové spojení, předepjatá tvarová spojení, materiálové spojení Způsoby uchycení součástí na hřídel. Různé druhy spojení podle vzájemného styku součástí. Vysvětlení principu spojení a jeho praktického využití. Pevnostní kontrola nejužívanějšího druhu spojení náboje s hřídelí - perům. 4 hodiny CÍLE KAPITOLY ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY VÝKLAD Hřídel je strojní součást válcovitého tvaru, na které jsou nasazena ozubená kola, řetězová kola, řemenice, enice, kladky, pojezdová kola, spojky, brzdy, zdrže a jiné rotační i nerotační části, např. vačky, výstředné kotouče apod. Pod pojmem náboj si lze představit nejen ozubené kolo, řemenici, kotouč spojky, ale např. i vidlici nebo rám jízdního kola, se kterými se spojují řídítka či sedlová trubka. Z hlediska způsobu přenosu momentů a sil mohou vzniknout spoje se silovým stykem a tvarovým stykem. Při silovém styku se tento přenos uskutečňuje třením, u tvarového styku tlakem mezi styčnými plochami. Může vzniknout i kombinace obou způsobů. Náboj je v podstatě válec se soustředným otvorem (náboj si rovněž můžeme představit jako část trubky ), který je součástí ozubeného kola, řemenice atd. 53

Hřídel a náboj tvoří zpravidla spoj rozebíratelný. Spoj je nepohyblivý (pevný), výjimku může tvořit drážkový hřídel s nábojem. Spoj může být: silový, tvarový, kombinovaný. Výjimečně může být i materiálový nepohyblivý a nerozebíratelný. Hřídel se vyskytuje téměř u každého stroje nebo zařízení. V různých podobách je najdeme u kladek, náprav železničních vagónů, motorových vozidel (převodovky, nápravy, ale i hřídelky různých kontrolních přístrojů), v ručičkových hodinách, obráběcích strojů, jízdních kol, šicích strojů atd. Dělení spojení náboje s hřídelem podle provedení: spoj perem klínem drážkované hřídele svěrné a tlakové spoje 5.1 Spojení hřídele s nábojem - drážkování Jedná se o spojení hřídele s nábojem tvarovým stykem síly i momenty jsou přenášeny pomocí styčných ploch na hřídeli a náboji. Drážkové spoje tvoří zuby vytvořené drážkováním hřídele do kterých zapadají drážky náboje a naopak. Používají se pro přenos velkých i rázových krouticích momentů nebo tam, kde je z konstrukčních důvodů požadován krátký náboj. Drážkové spoje nezajišťují proti osovému posuvu náboje na hřídeli. Jsou vhodné pro přesuvné náboje na hřídeli. Drážkové spoje je možné středit na vnitřní průměr, vnější průměr a na boky zubů. 5.1.1 Druhy drážkových spojů Drážkování rovnoboké - ČSN ISO 14 (Normalizovaná řada lehká, Normalizovaná řada střední) Drážkování evolventní - ČSN 014950 ČSN 014955 Drážkování jemné - ČSN 014933 54

5.1.1.1 Drážkování rovnoboké U válcových hřídelů je normalizované v lehké a střední řadě s vnitřním středěním (na vnitřní průměr). Obě řady mají stejný počet zubů, stejné odstupňování vnitřního průměru, stejný počet i šířku drážky. Liší se vnějším průměrem drážkování (střední řada má větší průměr). Používá se pro velké, rázové a střídavé krouticí momenty a u přesuvných nábojů. Obrázek 5.1. Drážkování rovnoboké. 5.1.1.2 Drážkování evolventní U evolventního drážkování se používá středění na boky drážek nebo vnější. Častější je středění na boky drážek, vnější středění pouze tam, kde je nutná přesná souosost hřídele a náboje. Profily drážek a zubů jsou tvořeny evolventami s úhlem profilu 30. Používá se pro velké a rázové krouticí momenty a u přesuvných nábojů. Náboj lze na hřídeli přesadit o malý úhel. 55

Obrázek 5.2. Drážkování evolventní. 5.1.1.3 Drážkování jemné U jemného drážkování může být až 78 drážek (počet se řídí normou a je závislý na průměru hřídele) s vrcholovým úhlem v rozmezí 47 63. Jemné drážkování méně zeslabuje hřídel. Používá se pro velké krouticí momenty a je nevhodné pro přesuvné náboje. Náboj lze na hřídeli přesadit o velmi malý úhel. Příkladem použití jemného drážkování je uchycení torzní tyče. Obrázek 5.3. Drážkování jemné. 56

5.1.1.4 Výpočet drážkových spojů U drážkových spojů provádíme kontrolu na otlačení, kdy tlak na bocích drážek nesmí přesáhnout povolenou hodnotu. Můžeme také z dovoleného tlaku na bocích drážek vypočítat potřebnou činnou délku drážkování. Tlak na bocích drážek určíme ze vztahu:..... (MPa) kde l - osová délka dotyku mezi boky drážek hřídele a náboje za provozu (mm) h- skutečná opěrná výška drážky (mm) D S - střední průměr drážkového profilu (mm) K - korekční součinitel (vzhledem k výrobním nepřesnostem uvažujeme, že obvodovou sílu přenáší pouze část boků drážek) K = 0,75 pro rovnoboké drážkování K = 0,5 pro evolventní a jemné drážkování i - počet drážek F- obvodová síla, kterou přenáší boky drážek (N). M K - přenášený krouticí moment (Nmm) 5.1.1.5 Dovolený tlak na bocích drážek p D Dovolený tlak na bocích drážek závisí na způsobu zatížení a použitém materiálu Přehled dovolených tlaků pro základní druhy materiálu a zatížení je v následující tabulce. 57

Tab. 5.1 Dovolený tlak na bocích drážek. 5.2 Perové spoje Nejčastějším způsobem spojení hřídele s nábojem je použití pera. Jedná se o hranolovitou součást, jejíž konce jsou z důvodu výroby drážky v hřídeli zaobleny. Pero je vsazeno z ½ své výšky v uzavřené drážce na hřídeli a druhá ½ výšky pera je v drážce v náboji, která je z výrobních a montážních důvodů provedena přes celou délku náboje. Pera i rozměry drážek jsou normalizovány. Protože hřídel má rotační tvar, nemají drážky přesně stejnou hloubku v hřídeli (t) a v náboji (t 1). Obr. 5.4. Přenos krouticího momentu pomocí pera. 58

Na šířku (b) je pero uloženo v drážkách přesně, na výšku (h) a délku (l) je uloženo s vůlí: Obr. 5.5. Označení charakteristických rozměrů pera. Pera se svým tvarem se podobají žlábkovým podélným klinům, ale na rozdíl od nich nemají úkos. Pero se při montáži vsadí do drážky, která je vytvořena na hřídeli i v náboji. Krouticí moment u perového spojení je přenášený tlakem na boky pera. Pera jsou normalizované součástky a jich průřez b x h je vyjádřený v závislosti od průměru hřídele. Vyrábějí se v těchto základných tvarech: těsné pera so zaobleným koncem (obr. 5.6a), těsné pera s rovným koncem (obr. 5.6b), vodící pera s jedním nebo dvěma přídržnými šrouby (obr. 5.6c, d), úsečové pera - WOODRUFFOVA PERA (obr. 5.6e). 59

Obr. 5.6 Normalizované spojovací pera a,b - výměnné, c,d - vodíci, e úsečové Těsná pera se používají k spojení hřídeli s kotoučem, ozubenými kolami, řemenicemi a pod., tj. tam, kde musí byt dodržená souosost a vyloučené osové házeni. Spojení perem nejsou vhodné pro střídavé anebo rázové zatížení, protože změnou smyslu zatížení a rázem dochází k otlačení sten drážky a pera, čím se spoj uvolní. Náboj perového spoje se musí axiálně zajistit, protože mezi nábojem a hřídelem nevzniká tření, které by zamezilo posuvu náboje. Na obr. 5.7 jsou uvedené některé příklady axiálního pojištěni perového spoje. Obr. 5. 7 Axiální pojištěni perového spoje. 60

Vodící pera se používají pro spojení hřídele s axiálně posuvným nábojem, anebo jestli dochází k časté demontáži např. u výměnných ozubených kol. Na obr. 5.8 je uvedený příklad použití vodicího pera u kuželové třecí spojky. Pero má v drážkách náboje a hřídele vůli a proto se musí zajistit proti posuvu vplyvem tření a vypadnutí. Podle délky pera se používá jeden nebo dva přídržné šrouby. Obr. 5.8 Použití vodícího pera u kuželové třecí spojky. Úsečové pera - Woodruffova pera se používají pro malé krouticí momenty a v případě jestli je náboj umístněný na konci hřídele (obr. 5.9). Úsečové pero vyžaduje velkou hloubku drážky do hřídele, čím se sníží jeho pevnost a zvětší vrubový účinek. Jeho využití v technické praxi je zřídkavé. Obr. 5.9. Úsečové pero na konci hřídele. 61

Obr. 5.10 Reální pohled na spojovací pera pro tvarové spojení hřídele s nábojem. 5.2.1 Návrh a pevnostní kontrola perového spojení Pro vypočítaný nebo zvolený průměr hřídele se z normy zvolí odpovídající průřez těsného pera b x h. Délka pera je závislá od délky náboje a volí se také v souladu s normalizovanými délkami per. Při výpočtu se vychází z předpokladu, že krouticí moment se přenáší jen bočnými plochami pera. Měrný tlak p se rozloží na účinnou plochu pera, která se vypočítá ze vztahu: kde lu - účinná délka pera (bez zaoblení), h - účinná výška pera, r - sražení hrán pera, l - skutečná délka pera, která se volí l=1, 4 d pro těsné pero, l = 2.d pro posuvný náboj (5.2) 62

Obr. 5.11 Rozložení měrného tlaku na účinnou plochu pera. Měrný tlak mezi účinnou plochou pera a plochou boku drážky v náboji je: (5.3) Obvodová sila namáhá pero i na smyk, avšak smykové napětí je velmi malé a proto kontrolu na smyk zanedbáme. Hodnota dovoleného měrného tlaku závisí od materiálu náboje a pera a od provozních podmínek. Pro klidný provoz se volí: p D =100 až 150MPa pro neposuvný ocelový náboj, p D =50 až 80MPa pre neposuvný liatinový náboj, p D =10 až 20MPa pre posuvný náboj. Při střídavém zatížení se snižuji hodnoty dovoleného měrného tlaku až o dvě třetiny. Jestli při omezené délce náboje nestačí jedno pero, mohou se použít dvě pera přesazené o 90 nebo 180. 63

5.3 Klínové spoje Spojení hřídele s nábojem pomocí klínu je typickým představitelem kombinovaného způsobu spojení tvarový a silový styk. Princip spojení je obdobný spojení pomocí pera. Výškově však klín není v drážkách uložen s vůlí, ale jeho dolní a horní plocha mají vůči sobě navzájem malý úkos. Při montáži vznikne díky tomuto úkosu tření mezi klínem a spojovanými součástmi a toto tření částečně přenáší krouticí moment. Díky malému úkosu je spojení samosvorné tzn., že spoj není nutno pojišťovat proti axiálnímu posunu. Nevýhodou klínového spojení je to, že při zaražení klínu do drážky dochází ke vzniku sil oddalujících od sebe hřídel s nábojem (vlivem funkce úkosu). Tím vznikne malé vyosení náboje (zvláště když se jedná o menší tloušťky). Při větších otáčkách vzniká díky tomuto vyosení házení a nevyváženost náboje. Další nevýhodou je nebezpečí poranění u klínu s nosem. Tomu se však dá zabránit vhodnou konstrukcí spoje: Obr. 5.12 Spojení klínem s nosem 64

Kliny se používají k rozebíratelnému spojení součástek přenášejících krouticí moment anebo osovou sílu. Podle polohy podélné osy klina vzhledem k ose spojovaných součástek se klínové spoje rozdělují: s podélným klínem s příčným klínem 5.3.1 Podélné kliny Kliny mají tvar hranolu s podélným úkosem 1 : 100, který jim zabezpečuje samosvornost. Tvar a rozměry sú dané normou a přirazené sú k průměru hřídele. Vyrábějí se ve dvou převedeních: bez nosu s nosem Obr. 5.13 Podélné kliny: a) bez nosu, b) s nosem Klin se zaráží do drážky mezi hřídelem a nábojem. Po zařazení vzniká v spoji předpětí, které způsobuje v dotykových plochách zvěrný tlak. Tento při přenose krouticího momentu způsobuje třecí odpor. Třecí odpor přenáší daný krouticí moment a zajištuje vzájemnou polohu hřídele a náboje. Nevýhodou klínových spojů je v důsledku zařazení klinu mezi náboj a hřídel možná excentricita ve vzájemném uložení spojených součástek. Rozděleni podélných klinů podle způsobu dosednutí na hřídel (obr 5.14): klin dutý (A) klin ploský (B) 65

klin drážkový (C) klin tangenciální (D) klin čtvercový (E) klin kruhový (F) Obr. 5.14: Druhy klinů Obr. 5.15: Drážkový klin Podélné kliny (A), (B), (D), (E), (F) se v technické praxi málo používají. Nejčastěji se používá drážkový klin (C) (obr. 5.15). Drážkový klin se zaráží mezi náboj a hřídel do drážek vytvořených v náboji (s úkosem) a v hřídeli (bez úkosu). Krouticí moment u spojení je přenášený třením mezi klinem a hřídelem, nábojem a hřídelem a tlakem klinu na dno a bok drážky. M F.f.y F.f.r F.a F.y kde y 0,5.d t 0,415.d y 0,5.d t h 4 0,48.d t hloubka drážky v hřídeli F obvodová síla 66

Průřez podélného drážkového klinu b x h je určený normou v závislosti na průměru hřídele. Délka klinu se volí rovná anebo menší jak délka náboje. Klin je namáhaný zejména len měrným tlakem, přitom velkost měrného tlaku není je možné ani přibližně určit, protože je závislý od síly, kterou je klín zaražený do drážky. 5.3.2 Příčné kliny Příčné kliny se používají na axiální spojeni strojních součástek zatažených velkými tahovými anebo tlakovými silami, tj. silami kolmými na os klinu (obr. 5.16). Spoj vyžaduje přesné zalícovaní a proto se používá len v případech, kdy je nutná rychlá montáž a demontáž. Typickým příkladem použití příčných klinů je spojení křižáka s pístnicí u starších typů parných lokomotiv. Příčný klin spojuje součástky bez předpětí anebo s předpětím. Spojení bez předpětí se používá pro poklidné zatížení, spojení s předpětím pro proměnlivé zatížení. Průřez klinu je obdélníkový se zaoblenými hranami. Úkos je vytvořen na jedné straně, který se volí 1 : 10 anebo 1 : 25. Obr. 5.16 Příčný klin 67

STUDIJNÍ MATERIÁLY KŘÍŽ, R. a kol., 1977. Stavba a provoz strojů I: Části strojů.. SNTL - Nakladatelství technické literatury. Praha: SNTL. L13-C2-V-43f/25559. SHIGLEY, J. E., MISCHKE, Ch. R., BUDYNAS, R. G., 2010. Konstruování strojních součástí. Vysoké učení technické v Brně. Brno: VUTIUM. ISBN 978-80-214-2629-0. LEINVEBER, J., ŘASA, J. a P. VÁVRA, 1998. Strojnické tabulky.. Druhé, zcela přepracované vydání. Praha: Scientia. ISBN 80-7183-123-9. DILLINGER, J. a kol., 2007. Moderní strojírenství pro školu i praxi.. Vydání první. Praha: Europa-Sobotáles. ISBN 978-80-86706-19-1. [cit. 2012-07-08] 08] http://www.bondy.cz/cs/technologie/detail/drazkovani-rovnoboke rovnoboke [cit. 2012-07-25] 25] http://www.superto.cz/158041-drazkovani drazkovani-rovnoboke-a-evolventni evolventni [cit.2012-08-03]http://www.s2 03]http://www.s2 group.cz/userfiles/produkty/0/0/76_0.jpg OTÁZKY A ÚKOLY 1. Definujte pojem hřídel. 2. Definujte pojem náboj. 3. Jaké jsou druhy drážkových spojů? 4. Kdy se používají vodící pera? 5. Jaká je nevýhoda klínových spojů? KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Hřídel je strojní součást válcovitého tvaru, na které jsou nasazena ozubená kola, řetězová kola, řemenice, kladky, pojezdová kola, spojky, brzdy, zdrže a jiné rotační i nerotační části, např. vačky, výstředné kotouče apod. 68

2. Pod pojmem náboj si lze představit nejen ozubené kolo, řemenici, kotouč spojky, ale např. i vidlici nebo rám jízdního kola, se kterými se spojují řídítka či sedlová trubka. Z hlediska způsobu přenosu momentů a sil mohou vzniknout spoje se silovým stykem a tvarovým stykem. Při silovém styku se tento přenos uskutečňuje třením, u tvarového styku tlakem mezi styčnými plochami. Může vzniknout i kombinace obou způsobů. 3. Drážkování rovnoboké, drážkování evolventní, drážkování jemné. 4. Vodící pera se používají pro spojení hřídele s axiálně posuvným nábojem, anebo jestli dochází k časté demontáži např. u výměnných ozubených kol. 5. Nevýhodou klínových spojů je v důsledku zařazení klinu mezi náboj a hřídel možná excentricita ve vzájemném uložení spojených součástek. 69

6 Silové spoje hřídele s nábojem nalisované a svěrné spoje. Konstrukční uspořádaní, návrh a kontrola KLÍČOVÉ POJMY hřídel, náboj, nalisovaný spoj, svěrný spoj CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly bude znát konstrukční uspořádání nalisovaného spoje. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 5 VÝKLAD 6.1. Nalisované spoje Nalisované spoje jsou v podstatě pevné obtížné rozebíratelné spojeni dvou součástek (nejčastěji hřídel, náboj). Dotyková plocha nalisovaných částí bývá zpravidla válcová anebo mírné kuželová, v ojedinělých případech i jiného tvaru (hranolovitá). Průměr díry v náboji je menší jako průměr hřídele (čápu), tj. spojení má uložení s přesahem. Po nalisování vznikají v spojovaných součástkách pružné, částečně i trvalé deformace. Díra v náboji se roztahuje, průměr hřídele se stláčí. Uvedené deformace způsobuju v obou součástkách napětí, kterých radiální složka způsobuje v stykové ploše měrný tlak. Jeho účinkem vzniká třecí odpor, potřebný pro přenos krotícího momentu anebo osové sily. 70

Nalisované spoje se používají pro přenos velkých krouticích momentů a osových sil, najme při jich střídavém anebo nárazovém působení. Sú spolehlivé, jednoduché a hospodárné (nejsou potřebné spojovací součástky a odpadá úprava spojovaných částí pro uložení spojovaných součástek, atd.). Příklady použití: spojení ocelových nákolků s kolami kolejových vozidel, spojení ozubených věnců s tělesem koles, ložiskových pouzder, valivých ložisek apod. Při výpočte napětí, který bude aplikovaný na náboj a plný resp. dutý hřídel se vychází z předpokladu, že měrný tlak je rovnoměrně rozložený po celé dotykové ploše (obr. 6.1 a). Tento předpoklad platí při stejné délce náboje a hřídele. Pokud hřídel přečnívá z náboje, svojí tuhostí zvětšuje napětí v okrajové části náboje a potom nelze uvažovat s rovnoměrným rozložením měrného tlaku (obr. 6.1 b). Pro bezpečný přenos krouticího momentu anebo osové sily platí podmínka.. kde Fa - osová (axiální) sila, k - součinitel bezpečnosti vůči uklouznutí (k = 1,3 až 2). Obr. 6.1 Rozložení měrného tlaku v nalisovaném spoji. 6.1.2 Napjatost v nalisovaném spoji s plným hřídelem (čepem) Po nalisování se zmenší průměr hřídele o část přesahu a naopak, díra v náboji o průměru se zvětší o část přesahu (obr. 6.2). Tyto deformace způsobuju v obou součástkách napětí: radiální, obvodové a měrný tlak v dotykové ploše. Výpočet těchto napětí je obdobný výpočtu napětí v silnostěnné nádobě. 71

Obr. 6.2 Deformace a napětí v nalisovaném spoji Závislost radiálního napětí a obvodového,na poloměrů je vyjádřená vztahy: Protože je konstantní, bude i součet radiálního a obvodového napětí konstantní 2.. kde je konstantní osové napětí (integrační konstanta) po nalisování zaniká, - integrační konstanta. 6.1.2.1 Napětí v náboji Radiální napětí na vnitřním povrchu díry o poloměru je úměrné mřenému tlaku a na povrchu náboje o poloměru je úměrné tlaku., Radiální napětí se s poloměrem náboje mění podle křivky (polytropy); na poloměru bude největší, na poloměru na povrchu náboje bude nulové. Pro výpočet obvodového napatí je potřebné určit konstantu a integrační konstantu, které se vypočítají z okrajových podmínek. Na poloměru bude: 0 Na poloměru bude 72

Řešením uvedených rovník se vypočítá integrační konstanta a konstanta...,. Po zevšeobecnění případu, tj. při 0 bude..,.. Při známe integrační konstantě se vypočítá obvodové napětí na poloměrech.... 1, Kde - bezrozměrná charakteristika spoje. Poté je obvodové napětí na poloměru.... 1.. 1. 6.1.2.2. Napětí v hřídeli (čepu) Hřídel lze považovat za dutý válec s vnitřním poloměrem =0. Pro 0 bude integrační konstanta 0 a osové napětí:.., 73

STUDIJNÍ MATERIÁLY JANYŠ, B., 1959. Prehľad strojového obrábania.. Bratislava: Alfa, 1959. 156 s. KOCMAN, K., PROKOP, J., 2002. Výrobní technologie II. Obrábění. Brno, CERM. ISBN 80-214-2189-4. OTÁZKY A ÚKOLY 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Definujte kolíkový spoj. Popište technologii výroby a materiálové složení kolíků. Jaké základní způsoby nýtování poznáte? Vyjmenujte a popište základní druhy nýtů. Popište princip trhacího nýtu. Popište namáhání nýtových spojů. Popište využití čepů v strojírenství. Jaké základní druhy čepů poznáte. Popište druhy namáhání čepu. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Spojovací kolíky se používají pro spojování a pojišťování strojních součástek nebo k zajištění vzájemné polohy spojených částí, případně na zachycení sil působících kolmo na osu kolíku. Válcové kolíky se vyrábí z oceli tř. 11100 (11107, 11109), 11300, 11400, 11 600, válcové pružné a kalené kolíky 11 700 a válcové kalené kolíky 11900. 2. Nýtování se dělí na přímé a nepřímé. Přímé nýtování je způsob nýtování, kdy je jako nýt použita část materiálu jednoho ze spojovaných dílů. Nepřímé nýtování je potom takové nýtování, kdy je nýt samostatnou součástí, která se vkládá do vytvářeného nýtového spoje. 74

3. Nýty poznáme: konstrukční, presní, trhací, kotlové, zápustní, trubkové, dvoudílné, nýty z čočkovou hlavou, nýty s plochou hlavou, výbušné nýty. Detailní popis jednotlivých nýtů je uveden v kapitole 4.2.3. 4. Nýty s trhacím trnem se používají při přístupu ke spoji pouze z jedné strany. Po osazení do otvoru se použijí nýtovací kleště, kterými se vytvoří hlavička nýtu po zatažení za dřík, který se posléze kleštěmi zkrátí (zastřihne). 5. Nýty jsou namáhány zejména na střih a otlačení. Detailní popis namáhaní nýtů je uveden v kapitole 4.2.4. 6. Čepy slouží převážně ke kloubovému spojení součástí, ve spojovaných součástech jsou na rozdíl od kolíků uloženy s vůlí. Ve strojírenských konstrukcích se používají jak čepy normalizované, tak nenormalizované. Základní druhy čepů jsou: hladké (s otvorem pro závlačku nebo bez otvoru), s hlavou (s otvorem pro závlačku nebo bez otvoru), duté, pružné. 7. Čepy jsou zatížené silou kolmou na osy. Běžně se při dimenzování čepového spoje provádí výpočet na ohyb a otlačení (měrný tlak). Pokud spojované části nedovolují vznik ohybové deformace, kontroluje se čep i na střih Smykové namáhání se zanedbává. Výpočty viz kapitola 4.4. 75

7 Pružné spoje KLÍČOVÉ POJMY pružný spoj, pružiny, únosnost a deformační charakteristika pružin CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly student bude: - znát princip pružného spoje - znát příklady použití pružných spojů - znát základní operace vrtání, vyhrubování, vystružování - mít základní poznatky o automatizaci ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY 3 VÝKLAD 7.1 Pružný spoj Pružný spoj je rozebíratelné pružné spojení dvou částí, vzniklé vložením ocelového ového nebo pryžového pružného prvku mezi spojované části a zároveň umožňující jejich vzájemný funkční pohyb. 76

7.2 Pružiny Pružiny jsou strojní součásti, které mají schopnost akumulovat mechanickou energii na základě pružné deformace materiálu. Tato deformace se následně šíří podélným a příčným vlněním (jejich amplituda se postupně zmenšuje) a po ustání působení deformační síly mizí. Pružiny zachycují a tlumí rázy a otřesy, zajišťují vratné pohyby a udržují rovnováhu sil. Jejich pomocí lze měnit kinetickou energii za potenciální a naopak. Slouží k pružnému spojení dvou i více součástí. Pro různé účely se používají různé druhy pružin. Pružiny mají různý průběh závislosti zatížení (síly nebo momentu) na deformaci. Tato závislost se nazývá charakteristika pružiny. Pružina musí pracovat pouze v elastických deformacích, kde platí Hookův zákon. Obr. 7.1 Pružiny 77

7.3 Rozdělení pružin Podle fyzikálního principu lze pružiny rozdělit na mechanické pneumatické hydropneumatické Podle tvaru a směru zatížení šroubové válcové (tažné, tlačné) šroubové kuželové (tažné, tlačné) ploché (jednoduché pružnice, svazky pružnic) tanířové pryžové bloky Podle druhu namáhání lze pružiny rozdělit na: Pružiny namáhané ohybem Pružnice a svazky pružnic Šroubovité pružiny zkrutné Spirálové pružiny Pružiny namáhané krutem Šroubovité pružiny tlačné Šroubovité pružiny tažné Šroubovité pružiny kuželové Zkrutné (torzní) tyče Pružiny namáhané kombinovaně Talířové pružiny Kroužkové pružiny Podle použitého materiálu: kovové 78

nekovové. 7.3 Konstrukce pružin Konstrukce pružin je různorodá, celkově závisí zejména od účelu použití. Variant pružin je nepřeberné množství. Obr. 7.2 Příklady konstrukce pružin 79

7.3 Příklad pružnice pro kolejová vozidla. Jsou konstruovány s větším počtem listů a jako tvrdé pružnice. Objímka (nejčastěji svařovaná) slouží k sepnutí pružinových listů. Konce těchto listů jsou buď rovné, nebo sestřižené pod úhlem 30. Klín a příložka slouží jako zajištění pružnic v objímce. 7.4 Materiály pro výrobu pružin 7.4.1 Kovové pružiny Kovové pružiny se vyrábí tvářením za tepla nebo za studena. Způsob výroby závisí od druhu pružiny, požadovaných vlastnostech a rozměrech použitého materiálu. Výchozí materiál pro výrobu pružin je 13251, má dobré elastické vlastnosti, velkou pevnost dosaženou zvýšeným obsahem uhlíku a legujících prvků Cr, Mn, Si a V. Základní seznam ušlechtilých pružinových ocelí udává tabulka č. 7.2. 80

Kromě ocelových pružin se používají pro výrobu pružin i některé druhy fosforových nebo beryliových bronzů. Jejich použití je zejména v elektrotechnice a přesné mechanice. 7.4.2. Nekovové pružiny Nekovové pružiny mají progresivní charakteristiku a vyrábí se z přírodního nebo syntetického kaučuku. Jsou známé v různých tvarech a provedeních mohou to být hranoly, plné a duté válce spojené zalisováním, vulkanizováním nebo lepením s kov. prvky. Jsou schopny velkých pružných deformací, zachycují a tlumí rázy a jsou elektricky nevodivé. Mají malou odolnost proti teplotám (pracovní teploty -35-50 C) a chem. prostředí (benzin, olej), tým pádem mají kratší životnost. 7.5 Deformační charakteristika pružin Charakteristika pružiny je závislost zatížení (silou anebo momentem) a deformace pružiny. Charakteristika pružiny může mít lineární progresivní nebo degresivní průběh. Tento údaj je směrodatný při volbě vhodné pružiny. Obr. 7.3 Charakteristika pružin Pružiny se od sebe liší různou tuhostí. Pružiny s charakteristikou 1-1 jsou tvrdé, s charakteristikou 1-3 se označují jako měkké. Pružiny typu 2 jsou s progresivní 81

charakteristikou, deformace se při zvětšující síle zmenšuje. Příkladem těchto typů jsou pryžové pružiny. Pružiny typu 3 jsou s degresivní charakteristikou, deformace se při zvětšující síle zvětšuje příkladem jsou např. talířové pružiny. Plocha pod charakteristikou pružiny je prací, která je potřebná pro deformaci pružiny. STUDIJNÍ MATERIÁLY ZELENÝ, J., 2003. Stavba strojů a strojní součásti I. Computer Press, Brno. ISBN: 80-7226- 311-0. FISCHER, U. a kol., 2004. Základy strojnictví. EUROPA SOBOTÁLES cz., Praha. ISBN: 80-86706-09-05. PETROV V., BATANOV V., 1953. Ocelové pružiny: technologie výroby a ochrana proti korozi.. SNTL, Praha. ONDRÁK M., SCHÜCK K., 1965. Šroubovité pružiny.. SNTL, Praha. Pružiny. Ministerstvo hutního průmyslu a rudných dolů, Praha 1965 www.pruziny-velka.cz OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte pružný spoj! 2. Co je to pružina? Z jakých materiálů se připravuje? 3. Jak můžeme rozdělit pružiny. 4. Popište charakteristiku pružin. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 82

1. Pružný spoj je rozebíratelné pružné spojení dvou částí, vzniklé vložením ocelového nebo pryžového pružného prvku mezi spojované části a zároveň umožňující jejich vzájemný funkční pohyb. 2. Pružiny jsou strojní součásti, které mají schopnost akumulovat mechanickou energii na základě pružné deformace materiálu. Z hlediska materiál je můžeme rozdelit na kovové a nekovové (z přírodního nebo syntetického kaučuku). 3. Pružiny můžeme rozdělit z vícero hledisek. Dle směru namáhání můžou být: šroubové, válcové (tažné, tlačné), šroubové kuželové (tažné, tlačné), ploché (jednoduché pružnice, svazky pružnic), tanířové, pryžové bloky. Dle fyzikálního principu lze pružiny rozdělit na: mechanické, pneumatické, hydropneumatické. Dle druhu namáhání lze pružiny rozdělit na: pružiny namáhané ohybem a pružiny namáhané krutem. 4. Charakteristika pružiny je závislost zatížení (silou anebo momentem) a deformace pružiny. Charakteristika pružiny může mít linerární, progresivní nebo degresivní průběh. Tento údaj je směrodatný při volbě vhodné pružiny. 83

8 Materiálové spoje svářené, pájené, lepené KLÍČOVÉ POJMY Sváření, svar, pájení, pájka, pájený spoj, lepení, lepidlo, lepený spoj CÍLE KAPITOLY Po prostudování se student obeznámí s technologiemi sváření, pájení a lepení. Pochopí princip tvorby svářeného, pájeného a lepeného spoje. Seznámí se s materiály a zařízením pro tvorbu těchto spojů. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 9 VÝKLAD 8.1 Svařování Podstatou svařování kovů je vytvoření metalurgického spojení, tj. spojení založeného na působení meziatomových sil, které udržují velmi účinně přesnou vzájemnou polohu a odstupy atomů tvořících uvnitř částic atomovou mřížku. Zároveň udržuje stálý tvar kovových předmětů. (Novotný, J. a kol., 2006). Svařování má v současnosti velké uplatnění v automobilovém průmyslu. Používá se hlavně při výrobě karoserií osobních automobilů. Samozřejmě, že svařování se využívá i při výrobě velkých celků jako železniční vagóny, tlakové nádoby, kotle, lodě, ale i při výrobě menších strojních dílů. Základní způsoby svařování jsou uvedené na obr. 8.2. 8.1.1 Základní pojmy u tavného svařování dle ČSN 05 0000 Základní pojmy vycházejí s obr. 8.2: 84

Základní materiál (7) materiál, který je svářený, Přídavný materiál materiál, který je přidávaný v průběhu svařování Svarová lázeň (6) materiál, který je roztavený při svarování, po ztuhnutí jej nazývame svarovým kovem Svarové plochy plochy základního materiálu, které po svařování zváraní sú nastavené na hranicu zvaru Svarový spoj (15) vlastný svar + teplem ovlyvnená oblast Svarová mezera (1), svarová plocha (2), α úhel rozevření (3), β úhel skosení (4), h s hloubka sváru (5), teplem ovlivnená oblast (8), vrstva sváru (9), svarová housenka (10), h převýšení svaru (11), líc svaru (12), rub svaru (13), kořen svaru (14), Obr. 8.1 Normalizované pojmy tavního sváření dle ČSN 05 0000 Názvy svarů jsou normalizované. Tavné svařování Svařování plamenem Svařování elektrickým obloukem: -obalenou elektrodou -v ochranní atmosféře s odtavující sa elektrodou drát alebo plnená trubička (MIG, MAG) -v ochranní atmosfée s neodtavující se elektrodou (WIG, TIG) -automatické s různymi typmi elektród (uhlíkové) -pod tavidlem -svařování s rotujúcím obloukem Svařování termitem (aluminotermické) Svařování elektrotruskové Svařování laserem Svařování tlakem Svařování elektrickým odporom: -bodové -švové -výstupkové -stykové pěchováním - odtavením Svařování třením Svařování indukční Svařování ultrazvukem 85

Svařování plazmou Svařování slévarenské Svařování elektronové Svařování tlakem za studena Svařování výbuchem Svařování kováním Obr. 8.2 Základní způsoby svařování 8.1.2 Druhy a tvary svařových spojů S ohledem na konstrukční provedení rozeznávame tyto druhy svařových spojů: tupý (obr. 8.3a) koutový, křížový, rohový (obr. 8.3b) přeplátovaný (obr. 8.3c) Obr. 8.3 Druhy svařových spojů (Novotný, J. a kol., 2006) Užívané názvy a tvary svarových ploch jsou na obr. 8.4. 86

33 Obr. 8.4 Názvy a tvary svařových ploch (Novotný, J. a kol., 2006) 8.1.3 Svařování elektrickým obloukem Elektrický oblouk je svetelný výboj ionizovanej směsi plynů a pár kruhového průřezu s vysokou teplotou. Délka svářecího oblouku se pohybuje od 2 do 7 mm. Proud může být od 10 do 2000 A, napětí od 10 do 50 V. Elektrický oblouk mé nekolik charakteristických oblastí (Blaščík, F. a kol., 1988): na povrchu elektrody, která má mínus pól (katóda), se tvoří katódová škvrna, cez kterú prochádzí proud. V blízkosti katódy se tvoří v plynném sloupci katódová oblast, na povrchu elektrody s kladným pólem (anóda) vzniká anodová skvrna a na ňu navazuje anodová oblast, strední část sloupce je pozitívny sloupec, který tvoří skoro celou délku elektrického oblouku. Všechny tři sloupce obaluje obálka, která se označuje jako plazma. Do obloukového svařování patří řada metod, které se navzájem liší buď druhem elektrod nebo prostředím, ve kterém oblouk hoří. V tab. 8.5 jsou uvedeny způsoby svařování elektrickým obloukem. 87

Elektroda Ochranné prostředí Skratka a název metody Obalená látky z obalu MMA ručně, obalenou (kovové jádro a obal) elektrodou zrnité tavidlo SAW automatické pod tavidlem Holý drát nebo ochranný plyn inertní (Ar) MIG (metal-inert-gas) plnená trubička ochranný plyn aktivní (Ar+O 2 ) MAG (metal-activ-gas) ochranný plyn CO 2 CO 2 svařování v CO 2 inertní plyn WIG-(wolfram-inert-gas) Netavící sa anglické označení: wolfrámová elektróda TIG-(tungsten-inert-gas) Obr. 8.5 Metódy sváření elektrickým obloukem (Nová, I. a kol., 2006) Mezi elektrodou a základním materiálem hoří elektrický oblouk. Během hoření oblouku se elektroda odtavuje, kov se ukládá do svarové lázně a tím dochází k vytvoření svarového spoje. Obr. 8.6 Schéma ručního svařování elektrickým obloukem Obalené elektrody se skládají z obalu a jádra. Jádro (kovová tyčinka) se zpravidla vyrábí z nízkouhlíkových ocelí a legující prvky jsou přidávány do obalu. 88

Obr. 8.7 Schéma obalené elektrody (Nová, I. a kol., 2005) 8.1.4 Svařování elektrickým obloukem v ochranních atmosférách Při svařování v ochranných atmosférách (tab. 8.8) rozlišujeme svařování netavící se wolframovou elektrodou WIG a svařování s odtavujíci se kovovou elektrodou (MAG, MIG). Předností je jednoduchá automatizace svařovacího procesu a vhodnost využití pro robotizovaná pracoviště. Svařování v ochranné atmosféře Svařování wolfrámovou elektrodou v ochranné atmosféře Svařování kovovou elektrodou v ochranné atmosféře Svařování v inertním plynu (WIG) Wolfram plazmové svařování (WP) Svařování kovovou elektrodou v inertní atmosféře (MIG) Svařování kovovou elektrodou v aktívní atmosféře (MAG) Obr. 8.8 Rozdělení svařování v ochranní atmosféře Zajištění kvalitního svařového spoje při obloukovém svařování vyžaduje vytvoření ochranné zóny oblouku a roztaveného kovu od škodlivého účinku vzduchu. Na vytvoření ochranné zóny se používají inertní plyny (argon, helium a jejich směsi, které nereagují s roztaveným kovem) a aktivní plyny (oxid uhličitý, vodík a jejich směsi, které s roztaveným kovem reagují). 8.1.5 Základní pevnostní výpočty svarovaných spojů Při pevnostní kontrole tupých svarů je potřeba nejprve stanovit jmenovité napětí v nosném průřezu svaru. V závislosti na daném zatížení jsou určovány jednotlivé složky napětí ve směru kolmém na svar ( ) a ve směru souběžném se svarem (ll). Vypočtená jmenovitá napětí přitom nesmí přesáhnout hodnoty napětí dovoleného. 89

Při stanovení dovolených napětí je nutné respektovat anizotropické vlastnosti materiálu v místě svaru. Odlišné vlastnosti materiálu vedou k odlišným hodnotám dovolených namáhání svaru ve směru kolmém a rovnoběžném. U spojů namáhaných kombinovaným zatížením se výsledné "ekvivalentní" napětí ve svaru určí ze vztahu: který pro σ ll = 0 můžeme upravit na: ahy použité pro výpočet jmenovitých napětí jsou (pro dané zatížení a provedení spoje) uvedeny v následující tabulce: Zatížení Tah / tlak Jmenovité napětí [MPa, psi] Smyk Ohyb Ohyb Krut 90

Tah Tah / tlak Smyk Ohyb Tah / tlak Smyk Ohyb Krut kde: a... výpočtová tloušťka svaru [mm, in] A w... nosná plocha průřezu svaru [mm 2, in 2 ] D... vnější průměr svaru [mm, in] 91

δ... úhel svaru [ ] F... působící síla [N, lb] F n... normálná síla [N, lb] F s... smyková síla [N, lb] L... nosná délka svaru [mm, in] M... ohybový moment [N mm, lb in] σ... normálné napětí kolmé na směr svaru [MPa, psi] σ ll... normálné napětí rovnoběžné se směrem svaru [MPa, psi] T... kroutící moment [N mm, lb in] τ... smykové napětí kolmé na směr svaru [MPa, psi] τ ll... smykové napětí rovnoběžné se směrem svaru [MPa, psi] Z w... modul průřezu svaru [mm 3, in 3 ] 8.1.6 Koutové svary. Koutové svary se umisťují podél klínové hrany spojovaných dílců a jejich základním profilem je rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník. Používají se obvykle jako nosné, silové svary pro spoje tvaru T, křížové spoje, rohové spoje a pro spojení přeplátované. Svařované součásti není potřeba tvarově upravovat. U staticky zatížených spojů se obvykle používá svar plochý, u dynamicky zatížených spojů je výhodnější svar vydutý, který má menší vrubové účinky. 92

93

8.2 Pájení Pájením se metalurgickou cestou působením vhodného zdroje tepla, spojují stejné nebo různé kovové materiály pomocí přídavného materiálu (pájky), která má odlišné chemické složení a nižší bod tavení než základní (pájený) materiál. Pájený spoj je nerozebíratelný. Při pájení nedochází v místě spoje k natavení spojovaných materiálů. Ohřívá se buď jen pájené místo,nebo celá součást. Spojení nastává nejčastěji v důsledku vzájemné difuze a rozpustnosti pájky a základních materiálů. Spoj vzniká spojením tří materiálů: základního, pájky a tavidla. Pro pájení se používá pájedlo (nástroj, který umožňuje natavit přídavný materiál) a pájka (přídavnýmateriál). Technologie pájení se využívá zejména v elektrotechnickém, energetickém, chladírenském průmyslu. Využíva sa v případech, kde je požadovaná těsnost, elektrická vodivost, povrchový vzhled spoje. 8.2.1 Druhy pájení Výhody pájení jsou především v možnosti spojování všech kovů a slitin (které jinak není možné spojit), přičemž je možné kombinovat železné i neželezné materiály. Dalšími výhodami jsou rozměrová přesnost, vysoká produktivita, menší spotřeba energie i jednoduchší zařízení. Výhodou je i menší pnutí i menší strukturní změny v základním materiálu, také možnost svařování tenkostěnných i tlustostěnných součástí. Nevýhodou pájení je menší pevnost spojů. Pájení není vhodné pro dlohé spoje, také příprava spojů je náročnější. Přítomnost dalšího materiálu ve spoji může zhoršit odolnost proti korozi. 94

8.2.2 Základní rozdělění pájení Základní delění pájení je podle teploty pájení. Poznáme měkké pájení (teplota solidu pájky je do 450 ºC) a tvrdé pájení (teplota solidu pájky je nad 450 ºC). Obr. 8.9 Rozdělení pájení (měkké tvrdé) Měkké pájení se používa na spoje s menší pevností, pevnost spoje v tahu je do 80 MPa, ve střihu do 50MPa. Typická pracovní teplota je 190-350 C. Měkkým pájením je možné pájet oceli měď, stříbro, olovo, hliník, nikl, zinek, cín a jejich slitiny, šedou litinu i keramiku. Pájky pro měkké pájení jsou nejčastěji cínové (na bázi cínu a olova) nebo speciální (napr. pro spojování kovů se sklem s 4-90 % Sn). Tvrdé pájení se používá na spoje s vyšší pevností, pevnost spoje v tahu je do 400 MPa, ve střihu v rozmezí 100 1300 MPa. Typická pracovní teplota nad 700 C. Tvrdým pájením je možné pájet oceli, litinu, hliník, nikl, žárupevné materiály, keramicko-kovové materiály a grafit. Pájky pro měkké pájení jsou nejčastěji na bázi mědi (a její slitin s obsahem fosforu), mosazi, zlata, stříbra a hliníku. Z hlediska technologie pájení poznáme tyto druhy pájení: 95

indukční pájení pájení ponorem pájení v peci plamenové pájení 8.2.3 Fyzikální podstata pájení U pájení se vyskytuje více fyzikálních jevů, které ovlivňují proces pájení. Smáčivost je důležitá vlastnost pájek, která vyjadřuje schopnost pájky přilnout k čistému spojovanému materiálu. Je hodnocena velikosti stykového úhlu pájky se základním materiálem. Obr. 8.10 Stykový úhel pro hodnocení smáčivosti mezi základním materiálem (1) a pájkou (2) 0-15 dokonalá smáčivost 16-75 dobrá smáčivost 76-90 pájka smáčivá 91-179 špatná smáčivost 180 pájka nesmáčivá 8.2.4 Pájka 96

Pájky jsou nejčastěji ve formě drátu nebo pásku, mohou však být ive formě prášku, trubiček, tyčinek, nebo past. Pájka musí splňovat tyto požadavky: musí mít nižší bod tavění jak základní matriál a interval tavení má být úzký musí mít nízký obsah nečistot nesmí se základním materiálem vytvářet křehké intermediální fáze kvůli korozi musí obsahovat prvky s malým rozdílem elektrochemického potenciálu styku se základním materiálem musí mýt dobré pájecí vlastnosti (smáčivost, roztékavost, kapilaritu) mechanické vlastnosti musí odpovídat podmínkám provozu Obr. 8.11 Typy pájek 8.2.5 Tavidla Tavidla jsou chemické látky, které zlepšují technologii pájení. Tavidla chrání pájku i základní materiál před účinky okolního prostředí (oxidací), musí dokonale smáčet základní materiál i pájku. Forma tavidla je různá může to být prášek, kapalina, nebo pasta. Za tavidlo lze považovat v určitých případech i vakuum. Volba tavidla závisí od více faktorů, zejména však od použitého základního nebo přídavního materiálu pájky a jeho těploty tavení. Pro měkké pájení se používají tavidla s reakční teplotou do 400 ºC, pro tvrdé pájení snad 500 ºC. 97

Tavidla mají mít stále povrchové napětí, hustota tavidla musí být menší než hustota pájky, taktéž musí být tavidlo chemicky stálé a zdravotně nezávadné. 8.3 Lepení V současnosti se technologie lepení stala jednou ze základních technologií spojování kovů, plastů i kombinovaných systémů materiálů ve všech průmyslových odvetvích. Oproti ostatním technologiím není při technologii lepení téměř nikdy (mimo chemické účinky) ovlivněn základní materiál lepeného spoje (oproti svarům, vrubům, obrábění...). Důležité parametry technologie lepení jsou efektivnost a ekonomičnost. I proto se lepení prosazuje v průmyslu v mnoha aplikacích. Lepení znamená spojení dvou různých ploch prostřednictvím lepidla, které má dobrou přilnavost k oběma plochám. Každé lepidlo je v okamžiku lepení v kapalném stavu, protože jedině tak může zajistit dokonalé přilnutí k povrchům lepeného materiálu. Pevnost slepeného spoje závisí na čtyřech parametrech: - na přilnavosti lepidla k lepenému povrchu (adheze) - na soudržnosti hmoty lepidla, neboli vnitřní pevnosti lepidla (koheze) - na smáčivosti lepeného povrchu kapalným lepidlem - na pevnosti (soudržnosti) lepeného materiálu 8.3.1 Pevnost lepeného spoje. Adheze a koheze. Podmínkami pro vytvroření kvalitního lepeného spoje se všemi jeho kladnými vlastnostmi jsou především vhodná konstrukce spoje, vhodná kombinace lepený materiál-použité lepidlo a dodržení technologického postupu výroby lepeného spoje. Pevnost slepeného spoje závisí na čtyřech parametrech: na přilnavosti lepidla k lepenému povrchu (adheze) na soudržnosti hmoty lepidla, neboli vnitřní pevnosti lepidla (koheze) na smáčivosti lepeného povrchu kapalným lepidlem na pevnosti (soudržnosti) lepeného materiálu Adheze je základní předpoklad úspěšného lepení. Jestliže lepidlo není schopno dostatečně pevně přilnout k materiálu, spoj nedrží a dochází k rozlepení na rozhraní 98

lepidlo lepený materiál. V tomto případě je vnitřní soudržnost lepidla (koheze) i vlastní pevnost materiálu vyšší než přilnavost (adheze). Na to proč vznikají adhezní síly existují dva teoretické modely vazby mezi lepidlem a lepeným povrchem: - mechanická vazba - chemická (nebo také specifická) vazba Mechanická vazba se uplatňuje jen u členitých nebo porézních povrchů. Kapalné lepidlo zatéká při lepení do pórů a prohlubní a po jeho ztuhnutí se vytvoří jakýsi pevný zámek mezi hmotou lepidla a lepeného materiálu. Mechanická vazba je velmi důležitá při lepení materiálů jako jsou dřevo, papír, keramika nebo pěnové plasty. Při lepení leštěných hladkých ploch je mechanická vazba zanedbatelná. Chemická (specifická) vazba se uplatňuje u porézních i zcela hladkých povrchů. Tato teorie je založena na působení slabých van der Waalsových elektrických přitažlivých sil mezi molekulami lepidla a lepeného materiálu, ale zejména na přímém chemickém působení lepidla na lepený povrch. Proto se dobře lepí materiály, které mají reaktivní povrch, nebo povrch chemicky upravený tak, aby mohla proběhnout chemická reakce mezi lepidlem a povrchem za vzniku kovalentní vazby. Kromě mechanické a chemické vazby je mimořádně důležitá také smáčivost lepeného povrchu kapalným lepidlem. Jestliže lepidlo není schopno se rovnoměrně rozprostřít po lepeném povrchu, žádná adhezní vazba nevznikne. Smáčivost souvisí s polaritou lepeného povrchu a s povrchovým napětím lepidla a povrchu. Protože lepidla obsahují spoustu reakce schopných chemických skupin, jsou molekuly lepidla jednostranně elektricky orientovány jsou polární. Dobře smáčí polární povrchy, dochází zde k podobné přitažlivosti jako mezi severním a jižním pólem dvou magnetů. Polární povrchy jsou například dřevo, papír a jiné deriváty celulózy, mírně povrchově oxidované kovy, přírodní textilie, ale například i sklo a další. Naopak nepolární povrchy jsou mnohé plasty, vosk a syntetické textilie. Polarita povrchu látek je příčinou vzniku tak zvané povrchové energie, která se vyjadřuje veličinou povrchové napětí. Čím je vyšší hodnota povrchového napětí, tím je pevný povrch nebo kapalina polárnější. Je-li povrchové napětí kapaliny nižší než povrchové napětí pevného povrchu, dojde k rozlití kapaliny po povrchu (smočení). Je-li naopak povrchové napětí kapaliny vyšší než napětí povrchu, kapalina se nerozlije a kapka kapaliny se drží na povrchu jako kulička. 99

Nesmáčí-li kapalné lepidlo lepený povrch, adheze bude slabá a lepený spoj se rozpadne. Pro vyjádření povrchového napětí se používá jednotka mn.m, dříve dyn/cm. Hodnota obou jednotek je shodná. Koheze představuje vlastní pevnost vrstvy lepidla. Jestliže se lepený spoj roztrhne ve vrstvě lepidla, znamená to, že adheze i pevnost lepeného materiálu je vyšší než koheze. Kohezní pevnost závisí na charakteru lepidla (dvousložkové epoxidy mají vysokou kohezi; měkké akryláty pro výrobu trvale lepivých samolepících etiket mají nízkou kohezi) a na tepelném namáhání lepeného spoje (většina jednosložkových lepidel jsou termoplasty měknou při zvyšování teploty). Vodovzdornost lepeného spoje závisí na tom, které materiály se lepí. Savé materiály (papír, dřevo) propouštějí vodu k lepenému spoji, proto jsou nároky na lepidlo vyšší. Naopak nesavé materiály jsou vždy lepeny reaktivními lepidly, která jsou proti vodě odolnější než nezesíťovaná lepidla používaná pro savé materiály. 8.3.2 Teorie lepení Teorie lepení se opírá o vztahy molekul a jejich vzájemého působení, také o vztahy vyplívající z nadmolekulární struktury. S molekulovou strukturou souvisí adheze. Také se při teorii lepení uplatňují fyzikální síly, chemické vazby a mezimolerkulární síly. Nejčastěji se používají následující teorie adheze: molekulová teorie elektrostatická teorie mechanická teorie difuzní teorie chemická teorie Molekulová teorie je dnes nejvíce přijímaná teorie adheze. Vychází z analogie jevu smáčení, adsorbce a adheze. Základem adheze je vzájemné působení molekul adherendu a lepidla (adheziva), proto je nevyhnutelné, aby oba druhy molekul měli polární funkční skupiny schopné vzájemného působení. Proces vzniku adhezního spoje lze rozdelit na dve stadia: 100

1) transport molekul adhezhiva k povchu adherendu. 2) vzájemné působení mezimolerulárních sil (van der Waalsovi) na vzdálenost menší než 0,5 nm. Za předpokladu dostatečného kontaktu (na molekulární úrovni) adherentu a adhesiva postačují k dobré pevnosti adhezního spojení vzhledem k velké četnosti i van der Waalsovi sily. Malá pevnost adhezního spoje je vysvětlována především faktem, že adherent a adhezivum jsou v omezeném kontaktu, proto úzce souvisí s dokonalostí smáčení povrchu adherentu adhezivem. Elektrostatická teorie předpokládá dvojitou vrstvu vytvořenou dotykem dvou rozličných substancí ve spoji jako základ pro vznik adheze. Podle toho je spoj kondenzátorem, kterého rozdílně nabité desky se přitahují. Jakmile je oddělíme, vzniklý potenciálový rozdíl se musí vybít neo vyzářit jako elektronová emise. Při podrobnějších studiích však nebyla prokázána korelace mezi velikosti povrchového elektrostatického náboje a pevnosti odpovídajících adhezních spojení. Mechanická teorie vychází z představy, že po proniknutí kapalného adheziva do trhlin a kavit lepeného povrchu, dojde po zatuhnutí adheziva k jeho zaklínění a v povrchu adherendu. Mechanické teoire adheze jsou dnes užívány sporadicky jen ve specifických případech, jako je např. adheze pryžových směsí k textilním vláknům či výroba překližek. Difuzní teorie říká, že pevnost spoje vzniká vzájeou difuzí polymerů (nebo jiných materiálů) napříč rozhraním. Základem tohoto tvrzení je skutečnost, že některé látky, (např. polymery) mohou navzájem difundovat a průběh této difuze, který závisí především na čase, teplotě, viskozitě, kompatibilitě adherendu a adheziva, relativní molekulové hmotnosti polymerů, ovlivňuje pevnost spoje. Tato teorie však nevysvětluje možnost spojení materiálů, které vzájemně nedifundují, ale dobře se lepí, např. spoj kovsklo. Chemická teorie vychází z předpokladu, že materiály, které se vzájemně spojují, vytvářejí primární chemické (kovalentní) vazby napříč rozhraním. Takovéto vazby sice vznikají, všeobecně však lepení probíhá v termodynamických podmínkách, které vznik 101

chemických vazeb neumožňují. Pokud by tyto vazby vznikly, nelze jednoznačně tvrdit, že zvyšují pevnost spoje, neboť snahy zavést do adhesiv či adherendů reakceschopné funkční skupiny často nevedou ke zlepšení vlastností adhezního spoje. 8.3.3 Technologie lepení Technologický postup výroby lepeného spoje má čtyři základní fáze, jimiž jsou.: příprava spojovaného materiálu (adherentu) na lepení příprava lepidla nanášení lepidla montáž a fixace spoje Cílem všech úprav slepovaných povrchů je maximálně zvýšit smáčivost povrchu lepidlem. Mezi základní úpravy povrchů před lepením patří fyzikální (broušení, tryskání, kartáčování) a chemické (odmašťování v lázních, tampónem, moření, fosfatizace) metody. Příprava lepidla závisí od druhu a stavu (viskozity), způsobu nanášení i vytvrzování. Častými operacemi jsou temperace na určitou teplotu a samozřejmě míchání. Cílem nanášení lepidla je vytvoření souvislé a rovnoměrné vrstvy lepidla určité tloušťky. Lepené díly se pomocí vhodných přípravků zafixují pod předepsaným tlakem k sobě a vytvoří se fyzikální a chemické podmínky pro vznik pevných vazeb, dokud nedojde k vytvoření adhezního spojení (odpaření, vytvrzení, polymerizace a pod.). Technologii lepení můžeme rozdelit dle několik hledisk: dle spůsobu nanášení lepidla: ruční: pistolí (rozpouštědlová nebo disperzní), štětec nebo stěrka (rozpouštědlová nebo disperzní nebo reaktivní), speciální dávkovače bez přístupu vzduchu (kyanoakryláty, polyuretany, silikony) strojní: stříkání (všechny druhy i tavná lepidla), válečky a kotouče (všechny druhy, málo často reaktivní lepidla), speciální dávkovače a dávkovací pistole (reaktivní lepidla) 102

dle teploty lepení: lepení za studena (disperze, rozpouštědlová lepidla) lepení za tepla (některá reaktivní lepidla, např. močovinová, fenolická, PUR, tavná lepidla) - lepení po tepelné aktivaci (polyuretany, akrylátové disperze, EVA disperze) dle rychlosti lepení/lepidla: relativně pomalá lepidla (obuvnická kontaktní, podlahářská, čalounická pro velké plochy všude tam, kde dlouho trvá nanášení na větší plochy) relativně rychlá lepidla (sekundové kyanoakryláty, čalounická lepidla, papírenská lepidla) dle otevřené doby lepidla: neomezená otevřená doba: tlakově citlivá lepidla (anglická zkratka PSA) - samolepky dlouhá otevřená doba: speciální kontaktní lepidla (obuvnictví, podlahoviny), některá reaktivní lepidla (močovinová, epoxidová, některé dvousložkové polyuretany) krátká otevřená doba: PVAc disperze na dřevo a papír, kyanoakryláty, čalounická rozpouštědlová lepidla Obr. 8.12 Zařízení pro dávkování reakčního lepidla (Kohoutek, 2009) Technologie také závisí od viskozita lepidla. 103

8.3.4 Lepidla V technické praxi se lepidla rozdělují podle několika hladisek. Nejobecnějším základem pro rozdělení lepidel je jejich chemické složení. Podle původu základní složky se dělí lepidla na přírodní a syntetická. Přírodní se dělí nejčastěji na organická (živočišní nebo rostliný původ škrob, živočišní klihy) a anorganická (vodní sklo, sádra, cement). Syntetická lepidla se dále dělí na reaktoplasty, termoplastická, elastomerová (kaučukovitá) a směsná. Dle fyzikálního charakteru jsou lepidla pevná, polopevná a kapalná. Lepidla kapalná: Reaktivní dvousložková (vytvrzují chemickou reakcí dvou složek): epoxidy, polyuretany, močovinoformaldehydová, fenolformaldehydová aj. Reaktivní jednosložková (vytvrzují vulkanizací vzdušnou vlhkostí): polyuretany, kyanoakryláty, silikony Rozpouštědlová (vytvrzují odpařením rozpouštědel): kaučuková, polyuretanová, nitrocelulózová aj. Vodná roztoková (vytvrzují odpařením vody): škrobová, dextrinová, kaseinová, deriváty celulózy aj. Vodná disperzní (vytvrzují odpařením vody a spojením jednotlivých částeček polymeru do souvislého filmu) Lepidla pevná: Tavná (do lepivého stavu se přivedou roztavením, vytvrzují ochlazením) Redispergovatelné prášky (rozmícháním ve vodě vznikne disperze, která vytvrzuje odpařením vody a spojením částic polymerů za vzniku souvislého filmu) Lepidla na bázi past a pěn: Volba lepidla závisí zejména od těchto faktorů: chemického složení lepených materiálů fyzikálních vlastností lepených materiálů 104

požadavků na provedení a pevnost spoje (tvrdý spoj, pružný spoj, vodovzdorný, odolný teplotám) požadavků na technologii lepení (ruční lepení válečkem, štětcem, pistolí; strojní lepení). 8.3.4.1 Tavná lepidla Tavná lepidla jsou pevné látky, které po ohřevu na pracovní teplotu roztají a v tomto tekutém stavu pracují jako kapalné lepidlo. Při spojení lepených ploch před opětovným vychladnutím a ztuhnutím lepidla dojde ke slepení lepených ploch. Výjimkou jsou některá speciální tavná lepidla s dlouhou otevřenou dobou a tavná lepidla trvale lepivého charakteru. Tavná lepidla se vyrábějí na bázi ethylenvinylacetátového kopolymeru (EVA), amorfního alfa polyolefinu (APAO), polyamidů (PA), polyuretanů (PU, HMPU) a nebo reaktivních polyolefinů (RPO). Výjimečně se vyrábí i z jiných typů polymerů. Zvláštním typem tavných lepidel je kožní klíh pro knihaře klíh se přímo netaví, ale při cca 70 C se ztekutí polotuhý gel klihu s obsahem asi 40 % vody. Tím se pak lepí předsádky, kašírují desky knih apod. Klihová lepidla nezpůsobují prohnutí nebo kroucení lepenkových desek. Tavná lepidla se taví v tavné komoře (objem od 4 l do 200 l), odtud se vedou buď do válcového aplikátoru (málo časté) nebo vyhřívanou hadicí do ruční stříkací pistole nebo automatické nanášecí hlavy. Pro občasné použití se používají pneumatické pistole s tavnou komůrkou integrovanou přímo do pistole. Pro hobby se používají tavné pistole na tyčinky. Tyčinka je mechanicky tlačena proti vyhřívané trysce. 8.3.4.2 Lepidla na bázi rozpouštědla. Kontaktní lepidla Kaučuk a pryskyřice jsou rozpuštěny ve směsi organických rozpouštědel. Jednotlivé molekuly polymeru (kaučuku) jsou od sebe odděleny, ale při pohybu se do sebe různě zaplétají a brzdí se o sebe. To vytváří efekt husté kapaliny, viskozita rozpouštědlových lepidel je proto vždy vyšší než viskozita disperzí se stejnou sušinou. Za zvláštní druh rozpouštědlových lepidel by bylo možné považovat i lepidla dextrinová nebo škrobová. Zde je dextrin rozpuštěn ve vodě, takže rozpouštědlo je voda. 105

U rozpouštědlových lepidel neexistuje proces koalescence a nemají žádnou minimální filmotvornou teplotu. Prostě vypařením rozpouštědla zůstane na povrchu film polymeru (kaučuku). A ten je díky svým adhezním vlastnostem vlastním lepícím materiálem. Rozpouštědlo pomáhá dopravit molekuly kaučuku k povrchu lepených předmětů i do jejich pórů. V některých případech navíc dojde k naleptání povrchu lepených materiálů rozpouštědlem (ale to je vzácný případ, např. při lepení PVC trubek lepidly na bázi methylenchloridu nebo při lepení ABS lepidly s obsahem toluenu nebo ethylacetátu). Po úplném vytěkání rozpouštědel se potom spoj jeví jako svařený za studena. Rozpouštědlová lepidla se často používají jako kontaktní. Kontaktní lepidlo se nanese na obě lepené plochy, ponechá se odvětrat (zavadnout), tj. částečně zaschnout. Dotykem prstu se povrch lepidla jeví jako nelepivý. Ovšem po přitisknutí obou lepených částí k sobě (tedy kontakt lepidlo-lepidlo) dojde k prolnutí vrstev polosuchého lepidla a tedy ke slepení. Kontaktní lepidla mají výhodu v počáteční (kontaktní) lepivosti, takže spoj poněkud drží ihned po stisknutí (vhodné pro lepení na svislé plochy, lepení spojů s trvalým pnutím ve spoji apod.). Protože prolnutí vrstev lepidla umožňují zbytky dosud nevytěkaného rozpouštědla, nesmí se lepidlo nechat přeschnout 8.3.4.3 Polyuretanová lepidla Polyuretany byly původně vyvinuty a vyráběny jako dvousložková lepidla. Ta byla založena na chemické reakci vícesytných alkoholů (polyolů) s vícefunkčními isokyanáty. Při poměrně rychlé reakci se všechno navzájem pospojovalo do vzniku husté polymerní sítě. Jednosložková PU lepidla byla vyvinuta kvůli jednoduchší technologii lepení. Byla vyrobena tak, že se ponechal reagovat polyol s nadbytkem isokyanátu. V pryskyřici tak zůstaly nezreagované isokyanátové skupiny. Ty jsou podobně jako kyanoakryláty citlivé na vodu, alkoholy, aminy, kyseliny apod. (tzv. aktivní vodík). Působením vzdušné vlhkosti na takové lepidlo dojde k rozkladu isokyanátové skupiny a zahájení síťující reakce, při které se vše divoce pospojuje. Kapalné lepidlo ztuhne. Tato reakce není tak rychlá jako u kyanoakrylátů. Tuhnutí obvykle postupuje rychlostí 4 mm za 24 mm do hloubky lepidla. Jednosložkové polyuretany se proto musí uchovávat v suchu, podobně jako vteřiňáky. Výhodnější je, když jeden z lepených materiálů je savý. Při lepení obou nesavých ploch je občas nutné použít speciální primer (např. lepení autoskel, plastů 106

apod.) Polyuretanová lepidla vytvářejí pružné spoje. Tyto spoje jsou častá zejména při výrobě dopravních prostředků aut, autobusů, tramvají a vlakových jednotek. 8.3.4.4 Disperzní lepidla Disperze je směs vody s polymerem, který není ve vodě rozpuštěn, ale pouze dokonale rozptýlen v podobě velmi malých částic (0,1 až 1 m). Aby se částice samovolně neusazovaly, udržuje je v rozptýleném stavu soustava povrchově aktivních látek, zejména tenzidy (saponáty) a ochranné koloidy (například polyvinylalkohol). Protože malé částice rozptylují světlo, mají disperze obvykle vzhled mléčně bílé kapaliny. Příkladem přírodní disperze je například latex přírodního kaučuku (izolovaný z kůry stromu kaučukovníku) ukovníku) nebo obyčejné mléko (disperze bílkovin a tuků ve vodě). 8.3.4.5 Kyanoakrylátová lepidla Ethylkyanoakrylát je nestabilní sloučenina. Kyanoskupina velmi ochotně reaguje s vodou a při této reakci vznikají na koncích řetězců molekul reaktivní ( živá ) místa, které se navzájem propojují až do vzniku husté sítě propojených molekul. Navenek se to projevuje jako houstnutí řídké kapaliny až do úplného ztuhnutí a vytvrzení. Na povrchu kapky kyanoakrylátu se tento proces projevuje neznatelně (pozvolné houstnutí lepidla). Ale pokud lepidlo rozprostřeme mezi dvě hladké plochy do co nejtenčího filmu, molekuly vody (vlhkost) pronikají do lepidla bleskově a vytvrzení je velmi rychlé. Takže už víte, proč vteřiňáky vytvrzují pomalu, když se použije nadbytek lepidla a proč houstnou ve špatně uzavřeném obalu (přístup vzdušné vlhkosti). STUDIJNÍ MATERIÁLY FISCHER, U. a kol., 2004. Základy strojnictví.. Praha: Europa-Sobotáles cz, s.r.o.. ISBN 80-86706-09-5. HLUCHÝ, M., 1984. Strojárska technológia I.. Praha: SNTL. NOVÁ, I., 2006. Technologie I. Slévání a svařování.. Liberec, 169 s. ISBN 80-7372-052-3. NOVOTNÝ, J. a kol., 2006. Technologie I.. Praha: Nakladatelství ČVUT, 227 s. ISBN 80-01- 02351-6. 107

ČSN 05 0000 Základní pojmy při sváření OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište a načrtněte svarování elektrickým obloukem? 2. Vysvětlete rozdíly mezi svářením a pájením. 3. Jaké je základní dělení pájkování. 4. Popíšte technologický postup při technologii lepení. 5. Jaké jsou teorie adheze materiálu. Popište nejznámější z nich. OTÁZKY A ÚKOLY 1. U svařování elektrickým obloukem potřebné teplo vzniká v elektrickém oblouku, kteřý horí mezi svařovaným materiálem a elektrodou, případně mezi dvěma elektrodami. 2. Při pájení nedochází v místě spoje k natavení spojovaných materiálů. Při svařování se vytvoří takové termodynamické podmínky, při kterých je umožněn vznik nových meziatomárních vazeb. Proto je při svařování nutné působit buď tlakem, teplem nebo oběma faktory najednou. 3. Základní delění pájení je podle teploty pájení. Poznáme měkké pájení (teplota solidu pájky je do 450 ºC) a tvrdé pájení (teplota solidu pájky je nad 450 ºC). 4. Technologický postup lepení se skládá s operací: příprava povrchu adherentů, příprava lepidla, nanášení lepidla, montáž a fixace lepidla. 5. Viz kap. 8.3.2. 108

9 Tribologie, cyklické zatěžování, trvanlivost součástí KLÍČOVÉ POJMY Tribologie, cyklické zatěžování, trvanlivost součastí, opotřebení CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly student bude: - znát základy vědné disciplíny tribologie - pochopí princip cyklického zatěžování - seznámí se s problematikou trvanlivosti i a opotřebení součastí ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU U KAPITOLY 6 VÝKLAD 9.1 Tribologie 9.1.1 Definice Tribologie je proces, který se zabýva chováním dotýkajícíh se povrchů ve vzájemném pohybu, nebo pokusu o vzájemný pohyb. Tento pohyb může být obecně kluzný, valivý,nárazový nebo kmitavý. Ve skutečnosti se uplatňují dva i více druhů pohybů současně. Tribologie se zabývá studiem a popisem procesů tření mazání 109

opotřebení s cílem využívat získané poznatky při řešení technologických problémů. Tribologický proces charakterizují interakce třecích těles, mezilátky a okolí. Při tribologických procesech se řeší především otázky: fyzikální procesy proměny energie Procesy vedoucí ke ztrátám v systému Procesy pozitivního působení na systém s ohledem na minimalizaci ztrát, 9.1.2 Tribologická soustava Vzájemná interakce povrchů je doprovázena vznikem pasivních odporů proti pohybu - třením. Důsledkem tření je opotřebení, což je degradační proces vedoucí k úbytku materiálu z interagujících povrchů. Tření a opotřebení je možné zmenšit mazáním. Obr. 9.1 Popis tribologické soustavy 110

9.1.3 Tření a jeho delění Rozlišujeme čtyři základní druhy tření Suché tření Kapalinové tření Plynné tření Plazmatické tření 9.1.4 Mazání a jeho význam K oddělení třecích povrchů koherentním mazacím filmem dochází při mazání hydrostatickém, hydrodynamickém, elastohydrodynamickém a vytlačovaným filmem. K bezprostřední interakci mezi třecími povrchy dochází při mazání mezném a mazání tuhými mazivy. 9.2 Cyklické zatěžování 9.2.1 Definice cyklického zatěžování Cyklické zatížení periodicky kolísá mezi maximem a minimem. K určitému konstantnímu předpětí, střední síle, připojíme přídavnou sílu oscilující kolem síly 111

střední. Pak časový průběh tohoto zatížení, nebo napětí bude vypadat následovně: Obr. 9.2 Průběh cyklického zatěžování Uvedené veličiny v grafu označujeme následovně: Střední napětí Horní napětí Dolní napětí Amplituda Výkmit 2 112

9.2.2 Druhy cyklů Cykly znázorňujeme sinusovkou, i když v praxi nemusí být tento průběh dodržen. Veličiny nezávisí na časové jednotce, v níž se cyklus odehraje. Přitom zavádíme zjednodušující předpoklad, že jde o ustálený cyklus, to znamená, že amplituda se s časem nemění. Cykly mohou být tahové, tlakové nebo v obou oblastech. Obr. 9.3 Základní druhy cyklického namáhání 9.2.3 Wöhlerova křivka. Mez únavy. Vlivem cyklického zatížení se v 19. století zabýval Wöhler. Bylo třeba vysvětlit, proč se materiál při cyklickém namáhání porušuje při hodnotách, které leží hluboko pod mezí pevnosti a i kluzu. Grafickou závislost mezi amplitudou napětí a životností vzorku nám ukazuje Wöhlerova křivka. Přitom zkušební vzorky musí vyhovovat těmto podmínkám: Musí být ze stejného materiálu Musí mít stejný tvar Musí být stejně opracovány 113

Obr. 9.4 Wöhlerova křivka pro materiál 12010 Zpravidla jde o zkušební tyčinky o průměru 10mm, hladké s leštěným povrchem. Během zkoušky se sada zkušebních tyček podrobí cyklickému zatížení střídavě souměrným cyklem o dané amplitudě. Tyč se poruší při určitém počtu cyklů. Získané hodnoty se vynesou do grafu. Při určité amplitudě přejde křivka v přímku rovnoběžnou s vodorovnou osou. To znamená, že při této amplitudě vydrží materiál neomezený počet cyklů. Mez únavy je tedy nejvyšší amplituda napětí, při které materiál vydrží neomezený počet cyklů 9.3 Opotřebení součástí Opotřebení je definováno jako nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů tuhých těles způsobena buď vzájemným působením funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a média, které opotřebení vyvolává. Projevuje se jako odstraňování nebo přemisťování částic hmoty funkčního povrchu mechanickými účinky, které mohou být doprovázeny jinými vlivy jako např.: chemickými, elektrochemickými nebo elektrickými. Podmínkou vzniku opotřebení je přítomnost relativního pohybu povrchu pevného protitelesa nebo tekutinového média vzhledem k opotřebovávanému povrchu. Při analýze opotřebení musíme sledovat především ty faktory, které jsou v daných podmínkách rozhodující. Mezi tyto faktory patří: 114

druh a vlastnosti dotýkajících se těles vlastnosti média, které je mezi třecími plochami charakteristiky vzájemného relativního pohybu (směr pohybu, rychlost, časová změna). 9.3.1 Druhy opotřebení 9.3.1.1 Adhezivní opotřebení Adhezivní opotřebení je charakterizováno oddělováním a přemísťováním částic materiálu z míst vzájemného dotyku funkčních povrchů při jejich relativním pohybu. Po opracování vznikají na povrchu makronerovnosti a mikronerovnosti, které se při zatížení pružně a plasticky deformují. Při plastické deformaci dochází k obnažení dotykových plošek a vlivem adhezních sil se začnou vytvářet mikrospoje (mikrozvary), které se působením tangenciálních sil porušují. Proces porušování mikrospojov je závislý od smykové pevnosti třecích se materiálů a smykové pevnosti mikrospoje. 9.3.1.2 Abrazivní opotřebení Abrazivní opotřebení je charakterizováno oddělováním částic z třecího povrchu: rýhováním a řezáním tvrdými částicemi zavedenými mezi kluzné povrchy (obr. 9.5a), rýhováním a řezáním tvrdým a drsným povrchem druhého tělesa (obr. 9.5b). Obr. 9.5 Abrazívní rýhování Typickým poškozením povrchu třecích těles jsou rýhy. Pokud opotřebovávají tvrdé části jeden funkční povrch, lze hovořit o interakci dvou těles - částice a součástky, např. opotřebení 115

funkčních ploch zemních strojů. Pokud jsou při vzájemném pohybu mezi dvěma funkčními plochami abrazivní částice, lze hovořit o interakci tří těles, ke které může docházet prakticky při všech pohybových mechanismech. Intenzita abrazivního opotřebení závisí na velikosti abrazivních částic, hodnoty zatížení, tvaru abrazivních částic a pevnosti a tvrdosti abrazivních částic. 9.3.1.3 Erozivní opotřebení Také možné jako hydroabrazívní, nebo plynoabrazivní opotřebení vyvolává oddělování částic nebo poškozování povrchu: částicemi nesenými proudem kapaliny, částicemi nesenými proudem plynu, proudem kapaliny, kapek. Intenzita erozivní opotřebení je závislá od kinetické energie částic dopadajících na povrch a od úhlu jejich dopadu na funkční povrch (obr 9.6) Obr. 9.6 Dopad částic na povrch Erozivní opotřebení může být způsobeno i proudícím médiem bez tvrdých částic. Pokud se kapalina nebo plyn pohybují velkou rychlostí proti povrchu, vyvolávají na povrchu dynamické účinky, které mohou způsobit vznik eroze povrchové vrstvy. 9.3.1.4 Kavitační opotřebení Je charakterizováno oddělováním částic a poškozováním opotřebovaného povrchu v oblasti zanikání kavitačních dutin v kapalině. Ke kavitaci dochází nejčastěji v proudící kapalině v místech, kde součet hydrostatického a hydrodynamického tlaku dosahuje kritickou hodnotu, která vede k porušení kontinuity proudu. Kavitační dutiny vznikají tehdy, když se změnou rychlosti, nebo podmínek proudění sníží tlak v určité oblasti 116

kapaliny tak, že dosáhne při dané teplotě tlak nasycených par. Zánik kavitačních dutin je doprovázen hydrodynamickými rázy, které namáhají povrch v těsné blízkosti Na intenzitu kavitačního poškození má velký vliv teplota a tlak v kapalině. Obr. 9.7 Vznik kavitace 9.3.1.5 Únavové opotřebení Je typické oddělováním částic, vznikem trhlin na povrchu a v podpovrchové nebo povrchové vrstvě v důsledku cyklického opakování kontaktního napětí určité velikosti v oblasti dotyku povrchů oddělováním částic a poruchami povrchové vrstvy křehkým lomem Únavové opotřebení způsobuje tvorba pitingů, zejména při dynamickém namáhání, přičemž začátek tohoto opotřebení se projevuje v podpovrchové vrstvě mikroskopickými trhlinami. Zakřivené plochy kluzných povrchů (např. v kluzném ložisku) vytvářejí podmínky pro vznik únavového opotřebení od kontaktního namáhání. V kluzném ložisku vznikají vysoké tlakové složky, které v průběhu provozního cyklu značně mění svoji velikost. Při spolupůsobení třecích sil se k uvedenému namáhání přidávají ještě váhové a smykové složky, které přispívají k rozvoji porušování povrchových vrstev. 9.3.1.6 Vibrační opotřebení Je charakterizováno oddělováním částic a poškozováním povrchu funkčních ploch při jejich vzájemném tangenciálním posuvu a při současném působení normálového zatížení. 117

K vibračnímu opotřebení dochází v praxi poměrně často. Jde hlavně o různé uložení, do kterých se přenášejí vlastní kmity, nebo kmity buzené cizím zdrojem. Při vibračním opotřebení jsou amplitudy vibrací poměrně malé a dosahují hodnoty 0,1 až 100 mikrometrů. STUDIJNÍ MATERIÁLY POŠTA, J., VESELÝ, P., DVOŘÁK, M., 2002. Degradace strojních součástí. Monografie Praha, ČZU. ISBN 80-213-0967-9. BLAŠKOVIČ, P., BALLA, J., DZIMKO, M., 1990. Tribológia.. Bratislava: Alfa. ŠTEPINA, V., VESELÝ, V., 1985: Maziva v tribologii.. Bratislava: Veda. KLESNIL M., LUKÁŠ P., 1975. Únava kovových materiálů při mechanickém namáhání. Academia Praha. ŽIAČIK, A., BARBORÁK, O., FILO, M., LAHUČKÝ, D., BUCHA, J., 2008. Časti strojov I.: Vybrané kapitoly/. - 1. vyd. - Trenčín: TnUAD, 233 s. ISBN 978-80-8075 8075-340-5. ČSN 015050: Opotřebení materiálu. Názvosloví. OTÁZKY A ÚKOLY 1. Co je to tribologie? Popište tribologickou soustavu. 2. Jaké druhy tření poznáte? Čím je zamezováno tření. 3. Jaké druhy opotřebení poznáte? 4. Co definuje Wöhlerova křivka? 118

KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Tribologie je vědná disciplína, která se zabývá interakcí dotýkajících se povrchů ve vzájemném pohybu, nebo pokusu o vzájemný pohyb. Tento pohyb může být obecně kluzný, valivý, nárazový nebo kmitavý. Tribologie se zabývá také studiem a popisem procesů tření a mazání. Tribologická soustava se skládá třecích prvků, maziv a okolního prostředí. V tribologické soustavě probíhají kontaktní procesy, třecí procesy, procesy opotřebení a mazání. 2. Tření může být suché, kapalinové, plynné a plazmatické. Tření zamezujeme oddělením třecích ploch mazáním a to hydrostatickým, hydrodynamickým, elastohydrodynamickým nebo vytlačovaným filmem. 3. Opotřebení může být adhezivní, abrazivní, erozivní, vibrační, únavové, nebo kavitační. Popis jednotlivých druhů opotřebení v kapitole 9.3.1 4. Wöhlerova křivka ukazuje grafickou závislost mezi amplitudou napětí a životností vzorku. Při určité amplitudě přejde křivka v přímku rovnoběžnou s vodorovnou osou. To znamená, že při této amplitudě vydrží materiál neomezený počet cyklů. Mez únavy je tedy nejvyšší amplituda napětí, při které materiál vydrží neomezený počet cyklů. 119

10 Hřídele KLÍČOVÉ POJMY hřídel, nosný a hybný hřídel, hřídelová těsnění CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly student: - pochopí princip a použití hřídelů - spozná konstrukci a využití nejpoužívanějších druhů hřídelí - bude se orientovat v problematice návrhu nosných i hybných hřídelů - pochopí význam hřídelových těsnění ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 VÝKLAD 10.1 Hřídel Hřídel je podlouhlá rotační součást strojů, Obvykle jsou na ní připevněny další součásti, které se spolu s hřídelí otáčejí kolem její osy. Sama je ke stroji upevněna pomocí jednoho nebo několika ložisek. Podle funkce a namáhání se hřídele dělí na nosné a hybné. 120

10.2 Rozdělení hřídelí Obr. 10. 1 Hnaný hřídel v automobilu TATRA Hřídele dělíme do dvou hlavních konstrukčních skupin: nosné hybné. Nosné hřídele jsou většinou uchyceny pevně v rámu, otáčí se na nich součásti nebo se otáčí i hřídel s uchycenými koly. Nepřenáší kroutící moment. Hybné hřídele jsou vždy otočné a přenáší kroutící moment. Jsou na nich upevněny strojní součásti (ozubená kola, řemenice...). Hybné hřídele se dělí na: spojovací hnací a hnaná předlohová Dále se dle konkrétního použití využívají tyto konstrukční provedení hřídelí: kliková hřídel vačková hřídel kardanův hřídel vyvažovací hřídel 121

královská hřídel 10.3 Konstrukce a druhy hřídelí 10.3.1 Kliková hřídel Slouží k přeměně přímočarého vratného pohybu na rotační nebo naopak. Je to základní součást většiny pístových motorů a pístových čerpadel. Je složena z krátkých, válcových čepů, navzájem pevně spojených rameny. Čepy, umístěné v ose otáčení hřídele se nazývají klikové. Čepy, které jsou vůči této ose vyoseny, se nazývají ojniční. Na ojniční čepy se nasazují ojnice, proto ten název. Přesazení čepů můžou být realizována v jedné rovině u plochého klikového hřídele, nebo ve více rovinách u prostorového klikového hřídele. 10.3.2 Jalová hřídel Je hřídel vkládaná do soustavy hřídelí pouze pro přenos točivého momentu mezi pohonnou hřídelí a hnanými hřídelemi (obvykle na podvozku). Otáčí se ve stejném smyslu jako hnané hřídele, a má s nimi rovnoběžnou osu. 10.3.3 Vačková hřídel Speciální hřídel, osazená vačkami. Vačková hřídel umožňuje ovládání posunu strojních součástí v závislosti na svém natočení. Vačky mají sice obvykle jednoduchý vejčitý tvar, ale mohou být tvarované i složitěji. Hřídel s vačkami vlastně obsahuje mechanický program práce soustavy pák. Obr. 10.2 Vačková hřídel 122

10.3.4 Kardanová hřídel umožňuje přenos síly točivého momentu mezi prostorově přesazeným hnacím a hnaným hřídelem, jejichž poloha může být navíc měněna během provozu. Obr. 10.3 Kardanova hřídel 10.3.5 Královská hřídel je název pro hřídel přenášející kroutící moment z motoru na převodovku pokud je převodovka tak daleko, že nelze použít hřídel převodovky 10.4 Materiály pro výrobu hřídelí Z důvodů většího namáhání se hřídele vyrábí z tvářeného materiálu oceli. Jednodušší a méně namáhané hřídele se vyrábí z konstrukčních uhlíkových ocelí třídy 11 (např. 11500, 11 600, 11 700) nebo třídy 12. Více namáhané hřídele se vyrábí z legovaných ocelí (obvykle třída 14, 15 a 16). Z důvodu požadavku na vyšší pevnost hřídele a současně odolnost povrchu hřídele proti opotřebení se hřídele často tepelně upravují. Mezi tyto tepelné úpravy patří cementování (pro nízkouhlíkové oceli), kalení a zušlechťování (vysokouhlíkové oceli). 10.5 Dimenzování a kontrola hřídelí 10.5.1 Výpočet nosných hřídelí Nosné hřídele jsou namáhány pouze na ohyb. Platí základní pevnostní podmínka: Za ohybový moment dosadíme vztah 123

2 2 2 4 Za modul průřezu W 0 dosadíme: 32 Pro průměr hřídele dostáváme vztah 32 Kontrolu hřídele na otlačení provedeme podle vztahů 2 10.5.2 Výpočet pohybových hřídelí Pohybové hřídele jsou na rozdíl od hřídelů nosných vždy namáhány krutem a často i ohybem. Přenáší totiž kroutící moment na nějakou rotační součást (hnací ozubené kolo, řemenici, řetězové kolo apod.), kterou často nesou. Jde tedy o kombinované namáhání, pro které musíme zjistit redukované napětí nebo moment. Obr. 10.4 Typická namáhaní hybných hřídelí 124

(a) namáhaní hřídele krutem, (b) namáhání hřídele krutem i ohybem (c) namáhání hřídele krutem i ohybem mezi dvěma kolama Hřídel a je namáhán pouze na krut. Přenáší kroutící moment, přičemž sám nic nenese. Zde vycházíme z pevnostní podmínky na krut. 16 Pokud neznáme velikost kroutícího momentu, můžeme ji určit z hodnoty výkonu motoru: 2 Kde P je výkon motoru a n jsou jeho otáčky. Hřídele (b) a (c) jsou namáhány současně krutem i ohybem. Přenáší kroutící moment od motoru na ozubené kolo, která sama nesou. Vypočteme samostatně ohybový a kroutící moment v hřídeli. Následně získáme redukované napětí a to pak porovnáme s dovoleným napětím v tahu. Pro ohybové napětí platí: Pro kroutící napětí platí: Redukované napětí pak získáme z níže uvedeného vzorce a porovnáme ho s dovoleným napětím v tahu: 3 Je možné postupovat i pomocí výpočtu redukovaného momentu. Pak platí: 125

0,75 kde je Bachův opravný součinitel zohledňující vlivy způsobu namáhaní hřídele. Jeho hodnoty jsou: pro střídavý ohyb a statický krut 0,6 pro střídavý ohyb a míjivý krut 0,8 pro střídavý ohyb a střídavý krut 1 Vypočtený redukovaný moment používáme rovnako jako moment ohybový: Následně získáme vztah pro minimální průměr hřídele: 32 10.6 Hřídelová těsnění Hřídelová těsnění jsou určena k utěsnění mezery mezi rotující a nepohyblivou částí nebo mezi dvěma díly, které vykonávají relativní pohyb. Úkolem hřídelových těsnění je: zadržet mazivo zabránit průniku nečistot oddělit tekutiny a 126

utěsnit při působení tlaku. Hřídelová těsnění lze rozdělit na radiální a axiální. Obr. 10.5 Hřídel, ložisko a hřídelové těsnění 10.6.1 Radiální hřídelová těsnění Radiální hřídelové těsnění je určeno pro těsnění rotujících hřídelí a vřeten s malým tlakovým rozdílem. Jsou většinou složena z pružné membrány s těsnícím břitem, který je vyztužen kovovým výztužným kroužkem. Těsnící břit je aktivován předepínací pružinou. Těsnící břit je vyroben s přesahem vůči hřídeli. Tímto předpětím vzniká radiální přítlační síla, která je zvětšěna tangenciální tažnou sílou pružiny. Tato výsledná radiální síla je rovněž ovlivněna, v závislosti na deformaci, pružnosti materiálu a geometrii těsícího břitu. 127

Obr. 10.6 Radiální hřídelové těsnění 10.6.2 Axiální hřídelová těsnění Axiální hřídelová těsnění se nejčastěji používají k ochraně valivých ložisek, proto jsou přizpůsobeny jejich rozměrům. Používají se především v aplikacích s nedostatkem místa, protože vyžadují jen malý zástavbový prostor. Obr. 10.7 Axiální hřídelové těsnění Axiální hřídelová těsnění se skládají z elastoerové pružné membrány obsahující kovový výztužný kroužek a pružinu. Membrána je zakončena axiálním těsnícím břitem. Speciální tvar břitu minimalizuje kontaktní plochu, čímž se podstatně snižuje tření, vyvíjené teplo a opotřebení. 128

Membrána a pružina vyvíjejí přítlačnou sílu na zadní stranu těsnícího břitu. Tím je na protipovrch, který je kolmý k ose hřídele, přitlačován axiální těsnící břit. Tato konstrukce zajišťuje rovnoměrný přítlak a nepřenaší případné vibrace. Axiální hřídelové těsnění je aktivováno lamelovou pružinou, která vyvozuje přítlačnou axiální sílu vůči protipovrchu. Velikost přítlačné síly je během provozu konstantní oproti radiálním hřídelovým těsněním výrazně nižší asi na úrovni jedné třetiny. U axiálních těsnění nedochází ke kolísání přítlačné síly vlivem tepelného roztažení, jak tomu bývá u radiálních hřídelových těsnění. Třecí odpor se s velikostí průměru mění jen nepatrně. STUDIJNÍ MATERIÁLY KŘÍŽ, R. a kol., 1977. Stavba a provoz strojů I, Části strojů.. Praha: SNTL. L13-C2-V- 43f/25559. DILLINGER, J. a kol., 2007. Moderní strojírenství pro školu i praxi.. Vydání první. Praha: Europa-Sobotáles. ISBN 978-80-86706-19-1. Dostupný na internetu: http://www.tss.trelleborg.com/global/en/homepage/ OTÁZKY A ÚKOLY 1. Jaký je rozdíl mezi nosnou a hybnou hřídelí. 2. Které jsou nejčastější konstrukční provedení hřídelí. Ve stručnosti popište jejich funkci a význam. 3. Jaké jsou typická namáhání hybných hřídelí. Popište je. 4. Popište princip radiálního hřídelového těsnění. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Hybná hřídel přenáší kroutící moment, nosná kroutíci moment nepřenáší. enáší. 129

2. Nejčastější druhy hřídelí jsou: kliková hřídel, kardanova hřídel a vačková hřídel. Jejich funkce a použití je popsáno v kapitole 10.3. 3. Typická namáhání hybných hřídelí jsou: namáhaní krutem, namáhání krutem a ohybem, namáhání krutem a ohybem mezi dvěma kolama. 4. Radiální těsnění je určeno pro těsnění rotujících hřídelí a vřeten s malým tlakovým rozdílem. Konstrukce radiálního těsnění je popsána v kapitole10.6.2. 130

11 Kluzná ložiska KLÍČOVÉ POJMY kluzné ložisko, pouzdro, ložiskové těleso, tření, mazání CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly student: - pochopí princip funkce kluzného ložiska - spozná konstrukci kluzného ložiska - bude poznat materiálové složení kluzných ložisek - bude schopen vypočítat základní parametry kluzných ložisek ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 VÝKLAD 11.1 Kluzné ložiska Ložiskem se rozumí takové vzájemné uspořádání (uložení) dvou nebo několika strojních součástí, které dovoluje jejich relativní pohyb, otáčivý nebo kývavý. Kluzná ložiska umožňuje přenos sil mezi dvěma relativně se pohybujícími povrchy za přítomnosti kluzného tření. Mezi ložiskem a hřídelí vzniká kluzné tření, které způsobuje opotřebení součásti a ztrátu energie. Na velikost tření má vliv tlak v ložisku, materiál ložiska i hřídele, kvalita povrchů, obvodová rychlost a provozní teplota. Velikost tření lze ovlivnit vhodnou konstrukcí uložení a mazáním kluzných ploch. 131

Kluzná ložiska se běžně vyrábí pro obvodové rychlosti 70 až 80 m/s, speciální pro rychlost až 100 m/s. Výhody kluzných ložisek: minimální prostorové nároky konstrukční jednoduchost, opravitelnost schopnost tlumení nárazů a chvění pomocí vrstvy maziva mezi čepem a ložiskem možnost dosáhnout přesné vedení hřídele možnost provozu bez maziva možnost vymezení radiální vůle tichý bezhlučný chod i při vysoké frekvenci otáček nízká cena Nevýhody kluzných ložisek: vyšší straty kluzným třením ve srovnání s valivými ložiskami vyšší opotřebení čepů a ložisek při jejich vzájemném dotyku poměrně ě velká spotřeba maziva nutnost záběhu po montáži u některých druhů ložisek Kluzné ložiska jsou často nahrazovány ložiskami valivými, pro určité výhody nacházejí uplatnění v celé řadě strojních zařízení spalovací motory, kompresory, obráběcí stroje. 11.1. 1. Kluzná ložiska 132

11.2 Rozdělení kluzných ložisek Podle tvaru funkčních ploch rovinné kluzné uložení (vedení obráběcích strojů) radiální kluzné ložiska axiální kluzné ložiska kombinované Podle použitého maziva bez přítomnosti maziva s pevným mazivem (grafit) s plastickým mazivem (mazací tuky) s kvapalným mazivem (mazací oleje) s plynným mazivem (vzduch, plyn) Podle způsobu zatížení statické zatížení dynamické zatížení kombinované zatížení Podle vzájemného pohybu nosných částí rotační linerání Podle konstrukce dělená nedělená Podle směru zatížení 133

radiální síla působí kolmo na osu otáčení (válcová styková plocha) axiální síla působí ve směru osy otáčení (rovinná styková plocha) kombinované síla může do jisté míry působit v obou směrech (kuželová nebo kulová styková plocha) 11.2. Působící síly v kluzních ložiskách 11.3 Konstrukční provedení kluzných ložisek Kluzná ložiska se skládají z pánve nebo pouzdra uloženého v ložiskovém tělese, které umožňuje připevnění ložiska rámu stroje, nebo jiné nosné konstrukci. 11.3. Konstrukce kluzního ložiska Kluzné ložiska jsou vyráběna jako pouzdra (tvar dutého válce), pánve (pouzdro dělené v podélné ose) nebo segmenty. Vkládají se do ložiskového tělesa, které může být samonosné nebo je tělesem součásti. 134

11.3.1 Pouzdra Jsou výrobně a konstrukčně nejjednodušší. Při jejich montáži/demontáži se musí demontovat hřídel, hlavně když je ložisko uprostřed. Používají se pro malé zatížení a malé kluzné rychlosti. Pouzdra mohou být s výstelkou nebo bez výstelky. Z hlediska konstrukce mohou být s přírubou nebo jednoduché válcové, taktéž můžou být dělená. 11.3.2 Pánve Obvykle se skládají ze dvou částí, dělící rovina prochází obvykle vodorovnou osou ložiska. Výhodou pánve je možnost demontáže ložiska bez nutnosti demontáže hřídele. 11.3.3 Segmentová ložiska Mají kluznou plochu pánve tvořenou několika segmenty, které se mohou naklápět a ustavit do nejvhodnější pracovní polohy Vyznačují se klidným chodem, používají se u vysokootáčkových hřídelů. Konstrukčne jsou pouzdra a pánve řešeny jako: jednovrstvé tenkostěnné (vhodné např. pro slitiny mědi) jednovrstvé tlustostěnné (vhodné pro nekovové materiály, litinu nebo spékané materiály) dvouvrstvé (s výstelkou) Při návrhu by měl mít hřídelový čep tvrdší povrch než je tvrdost kluzných ploch ložiska. Předpoklady k správné funkci ložiska jsou souosost ložisek, kvalita kluzných ploch a přesnost rozměrů kluzných ploch. 11.4 Materiálové provedení kluzných ložisek Na materiál pouzdra je kladena řada protichůdných požadavků. Materiál pánví, pouzder, výstelek by měl splňovat zejména tyto požadavky: velká zatížitelnost velká odolnost proti zadírání malé opotřebení čepů v oblasti mezního mazání 135

velká dynamická pevnost a odolnost proti únavě za vyšších teplot malá tvrdost malý modul pružnosti velká odolnost proti korozi velká chemická afinita k mazivům snadná obrobitelnost, dosažení velmi hladké kluzné plochy dobrá tepelná vodivost, malá roztažnost možnost dobrého metalurgického spojení s ocelí nízká cena, snadná dostupnost Pro materiály ložiskových těles (domků) se nejčastěji používá šedá litina, ocel na odlitky nebo svařence ocelí tř. 11300. 11.4.1 Kompozice (slitiny olova a cínu) Nejstarší skupina ložiskových kovu. Mají velmi dobré kluzné vlastnosti i při špatném mazání. Poruší-li se mazací vrstva oleje, stoupne v příslušném místě teplota a krystaly kompozice se roztaví. Ty se však rozetřou po okolní ploše a nenavaří se na čep. U kompozicových ložisek lze použít ocelových hřídelů nebo hřídelů litých bez tvrzení povrchu, v přirozeném stavu. Vniknou-li do ložiska drobné nečistoty, zatlačí se jejich tvrdé částečky do ložiskového kovu a hřídel se nepoškodí. Používají se zejména jako výstelky ložisek vylitím do ocelových pouzder a pánví. Kompozicové ložiska se používá pro malá a střední namáhání i při velkých kluzných rychlostech. Pro velmi výkonné rychlobežné motory ale nestačí. Jejich tepelná vodivost je poměrně špatná, ale pro malou tloušťku výstelky je bezvýznamná. Cínové kompozice jsou vhodné pro rázové zatížení. Cín zlepšuje kluzné vlastnosti ložiska, zvětšuje tvrdost ložiskového kovu, houževnatost a pevnost vrstvy. Velký obsah olova zmenšuje tvrdost kovu, snižuje bod tavení a zhoršuje kluzné vlastnosti. 136

11.4.2 Cínové bronzy Jsou velmi tvrdé a pevné, ale jejich kluzné vlastnosti a zvláště záběhové vlastnosti nejsou zcela vyhovující. Při méně vydatném mazání se snadno zadřou. Snášejí ale vysoké provozní teploty při malém poklesu tvrdosti. Pro svou velkou tvrdost nepohlcují bronzy cizí tělíska v ložisku. Proto je třeba u cínových nebo hliníkových bronzů ocelové čepy kalit nebo cementovat. 11.4.3 Olověné bronzy Používají se zejména pro rychlobežné motory. Kluzné vlastnosti olověných bronzu jsou velmi dobré i jejich únosnost je dobrá - snášejí velká okrajová namáhání i rázová zatížení. Olověné bronzy mají dobrou odolnost proti korozi. Olověné bronzy jsou měkčí než cínové a jejích tvarová přizpůsobivost se zvětšuje s obsahem olova. Jejich výhodou je malý pokles tvrdosti s teplotou. 11.4.4 Spékané kovy Vyrábějí se ze železných prášků lisováním. Jsou to pórovité materiály, které jsou schopny jímat mazivo (samomazná ložiska), jsou vhodná pro malé rychlosti. 11.4.5 Plasty Mohou nahradit v mnoha případech neželezné kovy. Mají velmi dobré kluzné vlastnosti v oblasti polosuchého tření, malé ztráty třením, také mají malou měrnou váhu, odolávají korozi, dobře tlumí chvění, do značné míry jsou samomazné, jejích výroba a zpracování je rychlé a levné. Odolávají hrubému a nečistému provozu. Mají ale špatnou tepelnou vodivost a velkou roztažnost. Používají se pro méně přesná uložení a menší rychlosti. Nejčastěji používané jsou polyamid a teflon. 11.4.6 Pryž Je používaná pro speciální kluzná ložiska. Používá se pro práci pod vodou, čep se může přímo navulkanizovat, přičemž jako mazivo je použita voda. 11.4.7 Tvrzené tkaniny a vícevrstvé materiály Tvrzené tkaniny dobře sají olej, špatně vedou teplo, používají se pro rychlosti menší jak 2,25 m/s. Vícevrstvé materiály jsou vytvořena ocelovým pouzdrem s nanesenou vrstvou pórovitého materiálu (bronzu), se kterou je spojen kluzný materiál (směs teflonu, 137

bronzu, grafitu, mědi, olova, ). Jsou bezmazná nebo s omezeným mazáním. Snáší nízké i vysoké teploty (až 200 300 C). Mají výborné kluzné vlastnosti, jsou odolná proti opotřebení. 11.5 Mazání kluzných ložisek Mazání je nejúčinnějším prostředkem pro snížení tření a omezení nebo potlačení projevů opotřebení tuhých těles. Je nutný dosáhnout stav, při kterém se v třecím uzle oddělí pohybující se povrchy tuhých třecích těles od sebe pomocí vrstvy maziva, ve které probíhá samotný vlastní proces tření. Vlastnosti maziva ovlivňují velkost mechanických, energetických a materiálových ztrát a tím ohraničují technickou životnost tribotechnického systému. Rozlišujeme maziva tuhé plastické kapalné plynné. 11.5.1 Mazání tukem Používá se pro malé tlaky a malé kluzné rychlosti nebo tam, kde nelze použít olej. Tuk částečně chrání ložisko proti vnikání nečistot. Použití je omezeno teplotou ložiska. K přívodu maziva se používá mazací lis, který mazivo tlačí přes mazací hlavici. 11.5.2 Mazání olejem Olej má lepší mazací schopnosti, odvádí teplo a dá se čistit. Nutné je kvalitní těsnění. Olej se přivádí na mazaná místa mnoha způsoby, např. kapáním z maznice, rozstřikem rotující části mechanismu (nutná je uzavřená skříň), tlakem čerpadla a dalšími způsoby. Způsob přívodu oleje závisí na kluzných rychlostech. 11.5.3 Mazání tuhými mazivy se používá ve zvláštních případech, zejména při extrémním tepelném zatížení (např. ložiska vozíku v sušicích zařízeních). Jako mazivo slouží grafit. 138

11.6 Výpočet kluzných ložisek Čep ložiska je zatížen ohybovým momentem. Z tohoto zatížení je navrhuje průměr čepu ložiska. K výpočtu jsou použity tyto vztahy: Ohybový moment: 2 Průřezový modul čepu hřídele: 32 Rozměry ložiska λ 11.4. Čep ložiska zatížen silou F 11.6.1 Výpočet průměru ložiska Při výpočtu průměru vycházíme ze vztahu, Po dosazení a zjednodušení 139

,, 2 32 Po zjednodušení dostáváme vztah: 16 Hodnotu získame z tabulek. λ je dané nebo se stanoví z pevnostnní podmínky. Je vhodné zvolit poměr λ=1 a ten upravit dle mazání a pevnostních podmínek. Největší zatížitelnost má ložisko při poměru λ=0,4. 11.6.2 Výpočet ložiskové vůle Ložisková vůle se volí v rozmezí 0,3 0,6 průměru čepu. Na ložiskové vůli závisí zatížitelnost ložiska a množství protékajícícho oleje. Čím větší je ložisková vůle, tím menší je únosnost ložiska, ale tím lepší je jeho chlazení. Relativní ložisková vůle je dána vztahem ψ = ( R r) r 11.6.3 Kontrola oteplení Maximální kontrola oteplení ložiska je dána vztahem 140

1,5 10 30 100 Materiál ložiska vícevrstvé nemazané materiály šedá litina, spékané kovy plasty kompozice, bronzy, slitiny hliníku Tabulka č. 11.1 Maximální hodnoty oteplení 11.6.4 Ostatní výpočty pro kluzní ložisko Kontrola tlaku v ložisku Kontrola obvodové rychlosti STUDIJNÍ MATERIÁLY http://www.exvalos.cz/kluzna-loziska---pouzdra/ku-pouzdra/ VINŠ, J., 1965. Kluzná ložiska. 1. vydání. Praha: Státní nakladatelství technické literatury. KŘÍŽ, R. a kol., 1977. Stavba a provoz strojů I, Části strojů.. Praha: SNTL. L13-C2-V- 43f/25559. DILLINGER, J. a kol., 2007. Moderní strojírenství pro školu i praxi.. Vydání první. Praha: Europa-Sobotáles. ISBN 978-80-86706-19-1. 141

OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište konstrukci, základní součásti kluzného ložiska. 2. Jaké druhy ložiskových pouzder z hlediska jejích konstrukce znáte? 3. Jaké vlastnosti by měli mít kluzné materiály? 4. Jaké ložiskové materiály jsou vhodné pro vysoké teploty? 5. Popište postup přibližného výpočtu pro průměr kluzného ložiska. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Kluzné ložisko se skládá z pouzdra (nebo pánve) uloženého v ložiskovém tělesu. 2. Ložiskové pouzdro má tvar dutého válce, může být i s přírubou. Pouzdra můžou být dělená, s výstelkou nebo bez výstelky. 3. Ideální vlastnosti kluzných ložisek jsou popsány v kapitole 11. 4. Pro výrobu ložisek pro vysoké teploty se využívají zejména cínové bronzy nebo vícevrstvé kombinované materiály. 5. Podklady pro výpočet jsou v kapitole 11.5.2. 142

12 Valivá ložiska KLÍČOVÉ POJMY valivá ložiska, valivé tření, konstrukce a materiálové složení valivých ložisek CÍLE KAPITOLY Po prostudování této kapitoly student: - pochopí princip funkce valivého ložiska - spozná konstrukci valivého ložiska - pochopí rozdíly, výhody a nevýhody valivých ložisek ve srovnání s kluznými ložisky - bude poznat materiálové složení valivých ložisek - bude schopen vypočítat základní parametry valivých ložisek ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 VÝKLAD 12.1 Valivá ložiska V kluzném ložisku se čep přímo stýká s pevnou částí ložiska (pánví) a klouže po ní velkou plochou. Valivá ložiska umožňují vzájemný pohyb sučástek v strojích a přenos působícich sil podobně jako kluzná ložiska. Jsou charakteristické tím, že vzájemní poloha pohybujících se prvků (hřídele a ložiska) je vymezena prostřednictvím valivých tělísek. 143

Valivé tělíska nahrazují kluzné tření valivým třením a jsou ve styku s hřídelem jen malou plochou. Prakticky se snažíme u obou druhů ložisek dosáhnout stavu, kdy jsou pohybující se plochy od sebe odděleny mazacím filmem. Mazací film výrazně snižuje jak tření tak i opotřebení. Také předpoklad čistého valení není ve valivém ložisku splněn, protože dochází k částečnému skluzu. Valivé tření je mnohem menší než kluzné, a to zhruba asi 10 krát. Jestliže se pro kluzná ložiska při dobrých provozních podmínkách uvažuje koeficient tření asi 0,2, pro valivá ložiska jsou zjištěné koeficienty tření 0,001 až 0,002. Tyto koeficienty se mohou měnit v závislosti na viskozitě maziva, zatížení, otáčkách apod. Toto srovnání ovšem platí pro běžné používané materiály. Dnes jsou stále více používána kluzná ložiska z progresivních materiálu, jejichž koeficienty tření se mohou měnit od zde uvedených. Výhody valivých ložisek: malé stráty třením malá závislost od provozních podmínek (rozběh), bez potřeby záběhu dobré středění ploch hřídelů minimální opotřebení jednoduché mazání, úspora maziva, možnost mazání tukem schopnost provozu i při extrémních hodnotách teploty a vysokých otáčkách jednoduché údržba menší axiální rozměry ve srovnání s kluznými ložiskami Nevýhody valivých ložisek: velká tuhost v důsledku dotyku tuhých částí uložení větší radiální rozměry ve srovnání s kluzným ložiskem náchylné na dluhodobé rázové zatížení a větší pretížení. vyžadují vyšší přesnost při výrobě 144

12.2 Roztřídění valivých ložisek Podle tvaru valivého tělíska: a) kuličková b) válečková c) kuželíková d) soudečková e) jehlová f) speciální Podle směru zatížení: a) radiální - zatížení působí kolmo na osu ložiska b) axiální- zatížení působí v směru osy ložiska c) kombinované S výjimkou některých typů válečkových ložisek, většina radiálních ložisek může přenášet i určité menší hodnoty axiálního zatížení a některé typy axiálních ložisek mohou přenášet i menší radiální síly. 12.3 Konstrukce valivých ložisek Podstatou valivých ložisek je převod tření smykového na valivé, a to prostřednictvím valivých elementů. I ve valivém ložisku dochází k určitému skluzu (tření), ale ten je ve většině případů velice malý. Konstrukce valivého ložiska je následující: valivé elementy obíhají v oběžných drahách, které jsou jemně obrobeny ve vnějším a vnitřním kroužku. Vnitřní kroužek je nasazen na čep, zatímco vnější kroužel se nasazuje do rámu. K udržování valivých tělísek v konstantní vzdálenosti a zabránění jejich vzájemnému kontaktu slouží klec. Vzhledem k tomu, že oba kroužky i valivá tělíska přenáší zatížení, musí být vyrobeny z kvalitních, pevných a tvrdých materiálů. Valivé elementy a oběžné dráhy jsou zatíženy nejvíce kontaktní únavou, a proto se u nich klade velký důraz na tvrdost a dobrou jakost 145

povrchu. Klec naopak většinou přenáší jen minimální část zatížení, a proto se ji snažíme vyrábět co nejlehčí, abychom snížili celkovou hmotnost ložiska. V současné době se často setkáváme s klecí z plastů a ložisko bývá často zakrytované, aby se zamezilo úniku maziva a vniknutí nečistot do ložiska. Valivá tělesa, kroužky a klec spolu tvoří nerozebíratelný celek. Ale obzvláště u ložisek pro zvláštní použití se setkáváme i s výjimkami. Ložisko může například postrádat jeden nebo dokonce oba kroužky nebo může být buď jeden, nebo oba kroužky dělené, pro snazší montáž. Obr. 11.1 Konstrukce valivého ložiska 1) vnitřní kroužek, 2) vnější kroužek, 3) valivé tělíska, 4) klec 5) těsnění K výrobě valivých ložisek se používají také technologie, které zabezpečí vysokou přesnost a trvanlivost uložení. 146

Obr. 11.2 Druhy valivých tělísek 1) kuličky 2) válce 3) kužely 4) soudky 5) jehly 12.4 Materiál valivých ložisek Valivá tělesa a kroužky se převážně vyrábějí z ocelí. Vyžaduje se dobrá odolnost proti únavě a současně i dobrá prokalitelnost a docílení takové struktury povrchu materiálu, která je odolná vůči vzniku trhlin a opotřebení. V posledních letech technický vývoj umožnil splnit vyšší nároky na čistotu, což se výrazně projevilo na pevnosti a kvalitě ložiskové oceli. Snížení obsahu kyslíku a nekovových vměstků se projevilo výrazným zlepšením vlastností ložiskových ocelí. 12.4.1 Chromové a chrommangánové ocele Ložiska pro normální provozní podmínky se vyrábějí z chromových a chrommanganových ocelí. Při zvláštních požadavcích se používají i jiné typy ocelí a materiálů (např. nástrojové oceli, keramické materiály a jiné). V průřezu kroužku má mít ocel po kalení tvrdost minimálně HRC = 50 HRC. Při nižší tvrdosti klesá únosnost. 12.4.2 Prokalitelné ocele Jsou nejvíce používány pro výrobu valivých ložisek, jsou uhlíko-chromové s obsahem cca. 1 % uhlíku a 1,5 % chrómu. V současné době je uhlíko-chromová ocel jedna z nejstarších a nejvíce zkoumaných ocelí, protože neustále rostou nároky na delší trvanlivost ložisek. Složení této ložiskové ocele představuje optimální rovnováhu mezi 147

výrobními a provozními požadavky. Tato ocel zpravidla prochází při výrobě martenzitickou nebo bainitickou přeměnou, při níž je zakalena na tvrdost 58 až 65 HRC. 12.4.3 Indukčně kalené ložiskové ocele Povrchové indukční kalení umožňuje selektivně kalit oběžnou dráhu, přičemž zbývající část ložiska není zakalena. Kvalita ocele a výrobní postupy použité před povrchovým kalením ovlivňují vlastnosti nezakalené části, což znamená, že u jedné součásti lze dosáhnout spojení rozdílných vlastností (nekalená příruba má odolávat únavovému poškození struktury, zatímco oběžná dráha únavovému poškození vlivem valivého styku). 12.4.4 Chromniklové a manganochromové Tyto legované ocele s obsahem uhlíku cca. 0,15 % jsou ocele pro cementování. Pro uložení, v nichž jsou ložiska namontována s velkým přesahem a kde na ložiska působí velké rázové zatížení, jsou doporučena ložiska s cementovanými kroužky a/nebo cementovanými valivými tělesy. Pro výrobu nerezových ložiskových kroužků a valivých těles se používají především ocele s vysokým obsahem chromu X65Cr14 nebo X10CrMo17. U některých ložisek může být výhodné použít místo nerezové ocele korozivzdorný povlak. 12.4.5 Ložiskové ocele pro vysoké teploty V závislosti na typu ložiska je pro standardní ložiska vyrobená z prokalitelných ocelí a indukčně kalených ocelí stanovena doporučená maximální provozní teplota, která se pohybuje mezi 120 a 200 C. Maximální provozní teplota závisí přímo na procesu tepelného zpracování. Pro provozní teploty až do 250 C může být ložisko speciálně tepelně zpracováno (stabilizováno). V takovém případě je třeba počítat se snížením únosnosti ložiska. Ložiska, která pracují dlouhodobě při teplotách vyšších než 250 C, by měla být vyrobena z vysoce legovaných ocelí, jako např. 80MoCrV42-16 vyrobených podle ISO 683-17:1999, protože si uchovají tvrdost a provozní vlastnosti i za extrémních teplot. 148

12.4.6 Keramické materiály Keramické kroužky a valivá tělesa ložisek jsou vyráběny především z nitridu křemíku určeného k tomuto účelu. Nitrid křemíku se skládá z jemných podlouhlých zrn betanitridu křemíku rozpuštěných ve sklovité základní hmotě. Tento materiál nabízí spojení vlastností, které jsou výhodné pro valivá ložiska, jako např. vysokou tvrdost, nízkou měrnou hmotnost, nízkou tepelnou roztažnost, vysoký elektrický odpor, nízkou dielektrickou konstantu a nemagnetické vlastnosti. Pro výrobu klecí se používají oceli třídy 11, pro malá ložiska klece i z mosaze. Pro velké průměry ložisek, složitější vnitřní konstrukce ložisek, složitější vnitřní konstrukce ložiska a při velkých provozních otáčkách se používají masivní, obráběné klece z ocelí, litin, těžkých nebo lehkých kovů a plastů (polyamidu). 12.5 Výpočet valivých ložisek 12.5.1 Výpočet ložisek namáhaných staticky Ekvivalentní statické zatížení ložiska vypočteme podle vztahu kde F r je skutečné radiální zatížení ložiska F a je skutečné axiální zatížení ložiska X 0 je součinitel radiálního zatížení ložiska Y 0 je součinitel axiálního zatížení ložiska Statická únosnost ložiska je Kde s 0 je statická bezpečnost Velikost ložiska se určuje podle statické únosnosti, pokud ložisko nerotuje a působí na ně nepřetržitě nebo přerušovaně zatížení. Dále pokud ložisko vykonává pomalé kývavé pohyby pod zatížením, případně pokud rotuje za velmi nízkých otáček (n 10min ). 149

12.5.2 Výpočet ložisek namáhaných dynamicky Ekvivalentní dynamické zatížení ložiska vypočteme podle vztahu kde F r je skutečné radiální zatížení ložiska F a je skutečné axiální zatížení ložiska X je součinitel radiálního zatížení ložiska Y je součinitel axiálního zatížení ložiska Základní trvanlivost je potom určena vztahy pro ložiska s bodovým stykem pro ložiska s čárovým stykem C je základní dynamická únosnost. Pokud jsou otáčky konstantní, je vhodnější vypočítat trvanlivost v provozních hodinách kde n jsou otáčky (min -1 ). STUDIJNÍ MATERIÁLY JANÁČ, A. a kol., 1994. Technológia obrábania, montáže a základy strojárskej metrológie. Bratislava: STU, 316 s. ISBN 80-227-0698-1. SKF podpora vzdělávání. Materiály pro výuku. Praha: duben 2009 150

DILLINGER, J. a kol., 2007. Moderní strojírenství Europa-Sobotáles. ISBN 978-80-86706-19-1. http://www.ksb.com/kreiselpumpenlexikon_de/pumpenlexikon/1562988/waelzlager. html KŘÍŽ, R. a kol., 1977. Stavba a provoz strojů I, Části strojů.. Praha: SNTL. L13-C2-V- 43f/25559. SHIGLEY J. E., CHARLES R. M., BUDYNAS R. G., 2010. Konstruování strojních součástí. Vysoké učení technické v Brně. Brno: VUTIUM. ISBN 978-80 80-214-2629-0. LEINVEBER, J., ŘASA J., VÁVRA P., 1998. Strojnické tabulky.. Druhé, zcela přepracované vydání. Praha: Scientia. ISBN 80-7183-123-9. pro školu i praxi.. Vydání první. Praha: OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište konstrukci a základní součásti valivého ložiska. 2. Jaké druhy valivých tělísek jsou nejčastěji používané? Vysvětlete te proč. 3. Popište hlavní rozdíly mezi kluzným a valivým ložiskem? 4. Jaké vlastnosti by měli mít materiály pro valivá ložiska? 5. Popište postup výpočtu pro statické zatížení ložiska. KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK 1. Valivé ložisko se skládá z vnitřního kroužku, vnějšího kroužku, valivých tělísek, klece a těsnění. 2. Nejčastěji jsou používána kuličkové a Valečkové tělíska. Zejména pro univerzálnost a malou stykovou plochu. 3. Kluzná ložiska se vyznačují minimální prostorové nároky konstrukční jednoduchostí, nižší cenou, relativně jednoduchou opravitelností. Jejích hlavní nevýhodou jsou vyšší ztráty třením. Valivé ložiska díky menším třecí plochy mají malé stráty ty třením, malou závislost od provozník podmínek, bez potřeby záběhu, 151

dobré středění ploch hřídelů, minimální opotřebení, jednoduché mazání, úspora maziva, možnost mazání tukem. 4. Vlastnosti materiálů pro výrobu valivých ložisek jsou popsány v kapitole 11.4. 5. Výpočet je popsán v kapitole 11.5.1. 152

13 Hřídelové spojky a brzdy základní druhy podle konstrukčního řešení, vlastnosti a vhodnost použití, základní funkční výpočet, návrh z katalogu specializovaného výrobce KLÍČOVÉ POJMY hnací člen, hnaný člen, spojovací člen CÍLE KAPITOLY Pochopení principu hřídelových spojek a jejich významu ve strojírenství. Uvádí se zde pojmy, které jsou všeobecně platné pro všechny typy spojek. Dále je zde uvedený význam brzd, a jejich rozdělení podle způsobu dosažení brzdového účinku. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 7 VÝKLAD 13.1 Spojky Obecně se spojka skládá z 3 částí (obr. 13.1) hnací člen 3, který přebírá kroutící moment od hnací (vstupní) hřídele 1, spojovací člen 5, který spojuje vstup s výstupem a hnaný člen 4, který předává krouticí moment hnané hřídeli 2. 153

Obr. 13.1 Obecné schéma spojky U některých typů spojek se funkce jednotlivých členů kumulují v jedné součásti. Např. u trubkové nebo korýtkové spojky je hnací a hnaný člen jedna součást a je úplně vynechán spojovací člen. U jiných typů spojek naopak se jednotlivé členy mohou skládat z více částí. Např. kardan má spojovací člen složeny ze dvou kloubů a mezikusu. 13.1.1 Účel spojek Základním účelem hřídelových spojek je přenos otáčivého pohybu a krouticího momentu z jedné hřídele na druhou. Kromě této základní funkce, kterou plní každá hřídelová spojka, mohou mít hřídelové spojky i další vlastnosti umožňující: vyrovnávání menších radiálních, axiálních i úhlových odchylek hnací a hnané hřídele, tlumení rázů mezi hnací a hnanou hřídelí, odpojení hnacího a hnaného stroje při přetížení, plynulý rozběh hnané hřídele, 154

odpojování a spojování hnací s hnanou hřídelí a to buďto za klidu nebo při otáčení hřídelí, zabezpečení toku kroutícího momentu pouze jedním směrem. 13.1.2 Základní rozdělení spojek Základní rozdělení hřídelových spojek je podle způsobu přenosu krouticího momentu: mechanicky neovládané spojky, mechanicky ovládané spojky, hydraulické spojky, elektromagnetické spojky. 13.1.3 Mechanicky neovládané spojky Spojení hnací a hnané hřídele je u této skupiny spojek zabezpečeno mechanickým kontaktem. Funkce spojky je předem nastavená (závisí na parametrech spojky) a spojku nelze ovládat vnějším signálem. Rozdělení mechanicky neovládaných spojek je na obr. 13. 2. 155

Obr. 13.2 Rozdělení mechanicky neovládaných spojek. 13.1.3.1 Nepružné spojky Podle obr. 13.2 se mechanicky neovládané nepružné spojky dělí na 2 skupiny: pevné spojky (tyto umožňují pouze základní funkci spojek přenos kroutícího momentu) a vyrovnávací spojky (kromě přenosu kroutícího momentu umožňují tyto spojky také vyrovnání nepřesnosti hnací a hnané hřídele buďto v radiálním směru nebo v axiálním směru nebo nerovnoběžnost, příp. kombinace těchto nepřesností). Nejjednodušší spojkou je trubková spojka. Jedná se vlastně o jednoduchou trubku, která má vnitřní průměr stejný jako je průměr konců hřídelí. Uvnitř je vyrobena drážka pro pero a tato trubka je nasunuta na konec hnací a hnané hřídele. U této spojky plní trubka funkci hnacího, hnaného i spojovacího členu. Spojka je sice velmi jednoduchá, ale vyžaduje přesně shodnou polohu os hnací a hnané hřídele. Její další nevýhodou je 156

nutnost posuvu hnací nebo hnané hřídele při montáži, což u těžkých strojů může být problém. Tuto nevýhodu odstraňuje korýtková spojka (obr. 13.3). Princip její funkce je stejný jako u spojky trubkové, pouze trubka je podélně rozdělena na 2 části ( korýtka), takže při montáži se pouze přiloží k hnací a hnané hřídeli a stáhnou se pomocí šroubů k sobě. U těchto spojek není nutné pero, protože spojka může fungovat jako třecí spojka. Většinou se ale pro přenos kroutícího momentu pero používá. Obr. 13.3 Korýtková spojka Na obr. 13.4 je zobrazena kotoučová spojka, což je jedna z nejčastěji používaných pevných neovládaných spojek. 157

Obr. 13.4 Kotoučová spojka Závity jsou určeny pro šrouby pro axiální pojištění hřídelí v kotoučích spojky. Vzájemné osazení v obou kotoučích spojky slouží k jejich vystředění. Důležitá je skutečnost, že jsou použity klasické a ne lícované šrouby. Znamená to, že kroutící moment se přenáší pouze třením mezi kotouči spojky a šrouby nesmí být namáhány na střih a musí být dostatečně utaženy, aby přítlačná síla vyvolala velkou třecí sílu. Osazení na vnějším obvodu kotoučů spojky je provedeno jako kryt hlav šroubů a matic z bezpečnostních důvodů, aby nemohlo dojít k poranění v případě přiblížení se k rotující spojce. Druhou skupiny mechanicky neovládaných nepružných spojek tvoří spojky vyrovnávací, které umožňují vyrovnat (do určité míry) vzájemnou nepřesnou polohu hnací a hnané hřídele. Mezi vyrovnávací spojky se řadí např. axiální ozubcová spojka (obr. 13.5), která je podobná spojce s čelními zuby. Boky zubů jsou ovšem rovné a při axiálním posunu hřídelí nevzniká mezi oběma polovinami spojky radiální vůle. Středění obou polovin této spojky zajišťuje středicí kotouč. Při příliš velkém oddálení obou polovin spojky od sebe 158

je styková plocha zubů natolik malá, že tlak mezi zuby může tyto zuby poškodit. Proto musí být axiální pohyb omezen. Obr. 13.5 Axiální ozubcová spojka Velmi často používanou vyrovnávací spojkou je kloubová čepová spojka známější pod názvem kardan (obr. 13.6). Jedná se o jeden (a) nebo dva (b) klouby, které jsou konstrukčně vytvořeny jako dvojice vzájemně kolmých čepů. Toto kloubové uložení umožňuje dosažení poměrně velkého radiálního posunu hnací a hnané hřídele. Typické použití kardanu je u nákladních automobilů nebo pro pohon dynam na podvozcích osobních vlakových vagónů. 159

Obr. 13.6 Kardan 13.1.3.2 Pružné spojky Pružné spojky jsou schopny akumulovat část vstupní energie a tím tlumit rázy mezi hnací a hnanou hřídelí. Při akumulaci energie dochází ke vzájemnému pootočení hnacího a hnaného členu. Závislost tohoto pootočení na velikosti zatížení spojky se nazývá charakteristika spojky (obr. 13.7). Ta může být buďto lineární (a), c) nebo nelineární (b), d). Pokud část energie zůstane naakumulována ve spojce, mluvíme o tzv. tlumicí spojce (c), d). Podle konstrukce může pružnost spojky vyvolat buďto kovový pružný člen (kovová pružina) nebo nekovový pružný člen (pryž). Ukázkou pružné spojky s kovovými členy je spojka se šroubovitými pružinami (obr. 13.7), které jsou vloženy mezi výčnělky (zuby) vytvořenými na vnějším povrchu jedné části spojky a vnitřním povrchu druhé části spojky. Tato spojka umožňuje pružnost pouze při otáčení jedním směrem. Obr. 13.7 Spojka se šroubovitými pružinami 160

Obr. 13.8 Charakteristika pružiny Dalším příkladem spojky s kovovými pružnými členy je tzv. Bibi spojka (spojka s hadovitými pružinami) obr. 13.9. 161

Obr. 13.9 Bibi spojka Jedná se o 2 stejná kola s vnějším ozubením, která jsou umístěna vedle sebe. Mezi zuby je provlečena kovová pružná páska (jakoby prošita střídavě na jednu a druhou strany), která je uzavřena v nekonečný pásek. Při přenosu krouticího momentu se tento pásek prohýbá a tím spojka pruží. Typickou ukázkou pružné spojky s nekovovými členy je čepová spojka - obr. 13.10. Je konstrukčně obdobná kotoučové spojce, ale na spojovacích šroubech (zde čepech) jsou navlečena pryžová pouzdra. Na rozdíl od kotoučové spojky se zde krouticí moment nepřenáší třením, ale spojovací členy jsou namáhány na střih. Z důvodu rovnoměrnějšího rozložení sil jsou pryžová pouzdra střídavě vkládána do hnacího a hnaného členu (na rozdíl od zobrazení v obr. 13.10). 162

Obr. 13.10 Čepová spojka Obecně se dá shrnout, že pružné spojky s kovovými členy jsou výrobně složitější (tedy i dražší), ale mají vyšší životnost. Pryžové spojky jsou sice jednodušší (levnější), ale díky stárnutí pryže je jejich životnost nižší. Také jejich možné zatížení je menší než u kovových pružin. 13.1.4 Mechanicky ovládané spojky Mechanicky ovládané spojky umožňují kromě spojení hnané a hnací hřídele ještě ovládání tohoto spojení. Toto ovládání může být buďto vnějším vlivem nebo samočinné. Mechanicky ovládané spojky se dělí podle toho, k čemu slouží viz obr. 13.11. 163

Obr. 13.11 Rozdělení mechanicky ovládaných spojek 13.1.4.1 Výsuvné spojky Výsuvné spojky umožňují odpojení hnací a hnané hřídele a to buďto za chodu stroje nebo v klidu. Výsuvné spojky mají mít tyto vlastnosti: lehké, rychlé a bezrázové zapínání a vypínání, 164

spolehlivé spojení hnací a hnané hřídele po zapnutí, malé opotřebení a zahřívání (u třecích spojek) a to i při velké frekvenci zapínání co nejmenší rozměry Jak je uvedeno v obr. 13.10, můžeme tyto spojky rozdělit buďto podle způsobu zapínání (mechanicky, hydraulicky, pneumaticky nebo elektricky řazené) nebo podle způsobu přenosu kroutícího momentu (zasouvané za klidu zubové se zuby umístěnými buďto na obvodu nebo na čelech hnacího a hnaného členu; třecí čelní, kuželové, válcové). Častěji se využívají třecí spojky, neboť umožňují zapínání a vypínání spojky za chodu stroje, což je typické např. u automobilů. Obr. 13.12 Lamelová spojka Kroutící moment se přenáší z hnací hřídele 1 přes těleso 3 na vnější lamely 6. Tyto lamely jsou uloženy střídavě s lamelami hnané části 5, které jsou k hnacím lamelám 6 přitlačovány kroužkem 5 pomocí přítlačných pák 9 (rovnoměrně uložených po obvodu spojky). Tyto páky jsou ovládány posuvem objímky 13. Velikost přítlačné síly je nastavena maticí 12, která je pojištěna pojistkou 10 ovládanou páčkou 11. Při stlačení lamel na sebe vznikají třecí síly, které přenesou kroutící moment přes hnané těleso 4 na hnanou hřídel 2. Pokud spojka pracuje v olejové lázni, jsou stykové plochy lamel ocelové. Pokud nejsou lamely mazány, používá se na výrobu lamel Ferdo nebo kovokeramické 165