Spoje pery a klíny. Charakteristika (konstrukční znaky)

Transkript

1 Spoje pery a klíny Charakteristika (konstrukční znaky) Jednoduše rozebíratelná spojení pomocí per, příp. klínů hranolového tvaru (u klínů se skosením na jedné z ploch) vložených do podélných vybrání nebo (výjimečně) příčných otvorů odpovídajícího tvaru ve spojovaných částech. Spoje s pery a klíny se používají téměř výhradně s umístěním na válcové ploše. Dále bude proto uvažován pouze tento případ. Spoje s pery a klíny bývají většinou používány v kombinaci s jinými druhy spojů a uložení tak, aby bylo optimálně docíleno všech požadovaných vlastností výsledného spoje (vzájemná axiální poloha, souosost spojovaných částí apod.). Vzhledem k tomu, že přilehlé zóny (partie) částí strojů spoj. pery a klíny (jakož i kombinace s jinými druhy spojů) bývají pro charakter své stavební struktury obtížně deformačně řešitelné, je žádoucí umísťovat tyto spoje tak, aby jejich zatížení bylo staticky určité (nebo v krajním případě řešitelné za přijatelného zjednodušení). Stavební struktura (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Spoje perem (včetně způsobů zajištění spoj. částí proti posuvu)

2 Spoje podélnými klíny (úkos na "horní" ploše klínu 1:100) Spoje příčnými klíny (úkos na "boční" ploše klínu 1:25 až 1:10) Spoj se stavěcím klínem Spoj s podélným klínem používaný pro spojení náboje a hřídele se liší od analogického spoje s perem především v tom, že přenáší zatížení třecí silou vyvozenou zaražením klínu do drážky s opačným smyslem úkosu (příp. na druhý klín, takže dna obou drážek pak mohou být bez úkosu). Boční plochy klínu v drážce, příp. jiné opěrné plochy slouží pouze jako pojištění proti prokluzu. Spoje s podélnými klíny jsou proto vhodné pro přenos velkých, a to i rázových, zatížení. Jejich zásadními nevýhodami však je, že: o normálovou sílu (tlak) vzniklou zaražením klínu a tudíž ani tečné třecí síly zajišťující únosnost spoje nelze přesně zjistit. o vlivem zaražení klínu se ve spoji vymezují příčné vůle pouze v jednom smyslu, což je u jejich nejčastějšího použití mezi nábojem (řemenice, oz. kola, setrvačníku, apod.) a hřídelem značně na závadu. Spoje s podélnými klíny se proto již prakticky nepoužívají a pokud výjimečně ano, tak pro uvedenou nejistotu se stejně jejich "boční" plochy obvykle navrhují a kontrolují pro přenos plného zatížení, tj. jako u spoje s pery. V doporučené literatuře jsou uvedeny podrobné informace pro jejich řešení.

3 Spoje s příčnými klíny se používaly zejména u velkých klikových mechanizmů, setrvačníků, táhel apod. V současné době se již používají zřídka. V doporučené literatuře jsou uvedeny podrobné informace pro jejich řešení Dále budou uvažovány pouze běžně používané spoje s podélnými pery. TVARY, ROZMĚRY, TOLERANCE A ULOŽENÍ Druhy (dle ČSN) (nenormalizovaná pera se prakticky nepoužívají) těsná - pro spoje neposuvné zaoblená (ČSN ) a) s rovnými čely (zřídka) (ČSN ) b) výměnná a volná - pro spoje posuvné zaoblená ("výměnná") (ČSN ) 2 šr. c) (ČSN ) 1 šr. d) s rovnými čely ("volná") (ČSN ) 1 šr. e) (ČSN ) 2 šr. f) úsečové (Woodruffovo) - pro spoje neposuvné (jen d =< 50 mm) g) (ČSN ) Ostatní tvary (drážek, příp. závitových otvorů, apod.) podle příslušné ČSN Rozměry Podle příslušné ČSN pro d: (6 500) mm v přiřazených řadách - Přiřazení průřezu per k rozměrům hřídele dle ČSN (ČSN , ČSN , ČSN ) Pozor: přiřazení průřezu neznamená, že není nutné pero navrhovat a kontrolovat dle zatížení, rozdíly jsou ve stykové délce pera! Délka pera obvykle: 1 1,5d pro součásti z oceli 1,5 2,5d pro součásti z litiny

4 Tolerance a uložení Válcová část spoje: neposuvné spoje (běžně): H8/h7 (příp. H8/k7) (při vyšších nárocích: přechodné H8/m7, H8/p7) (při vysokých nárocích: nalisované H7/r6, H7/t6) posuvné spoje: H8/f7 (příp. H8/h7) Drážky v hřídeli: v hřídeli v náboji pro pera těsná, výměnná a volná: P9 P9 (pro pera úsečová (Woodruffova): P9 N8 Ostatní tolerance dle příslušné ČSN MATERIÁLY běžně oceli pro větší zatížení oceli POZNÁMKY: Orientační statické. pevnostní hodnoty (pro dynam. zatížení x ~ 1/2 ): Hodnoty lze odvodit jako u spojení s čepy (bez redukce dovol. hodnot měrných tlaků pro válcové plochy) materiál pera - např.: σ pt 600 MPa σ kt (0,6-0,8) σ pt 360 MPa σ D σ kt / ( [1,5 ] 2,5 ) 140 ( 240) MPa τ D 0,6 σ D 80 ( 140) MPa p D σ D 140 ( 240) MPa p D poh 0,2 σ D 30 ( 50) MPa mater. spoj. částí - např.: (š.litina) mater. spoj. částí - např.: p D σ D 50 ( 60) MPa p D σ D p D poh 0,2 σ D 10 ( 15) MPa p D poh 0,2 σ D Pro š. litinu (např ): σ Pt 250 MPa => σ D σ Pt / ( 4 5 ) = 50 ( 60) MPa Pro ocel : σ Pt 500 MPa => σ D σ kt / ( 1,5 2,5 ) = 0,6. σ Pt / ( 1,5 2,5) = 120 ( 200) MPa Pozor, pro dovolené měrné tlaky ve spoji p Dsp = p Dmin (tzn. je vždy rozhodující p D méně kvalitního materiálu ve dvojicích čep - spojovaná část!)

5 KOMPLEXNÍ UŽITNÉ VLASTNOSTI Provoz, údržba, opravy Přenos sil kolmých na podélnou osu pera; pokud není žádoucí posuv podél osy pera, nutné spoj zajistit jiným způsobem (viz. TYPICKÁ PROVEDENÍ). Při malých axiálních silách lze též použít uložení válcových ploch s přesahem. Vůle ve spoji jsou na závadu při dynamickém zatěžování. Rozebíratelnost závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle jednoduchá. Spolehlivost proti uvolnění rovněž závisí na způsobu zajištění v axiálním směru, obvykle vysoká. Spolehlivost proti poruše je dána především přilehlými zónami (partiemi) spojovaných částí, v nichž mají drážky pro pero nepříznivé vrubové účinky. Výroba, montáž Výroba drážek vyžaduje speciální nářadí, pera se nakupují Při montáži nutné zajistit, příp. omezit axiální posuv spojovaných částí. Rychlost procesů Velmi rychlý návrh, relativně pomalá výroba (pokud není speciální nářadí), méně vhodný pro sériovější výrobu. Rychlost montáže a demontáže závisí na celkovém konstrukčním provedení spoje, obvykle rychlé. KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI Hospodárnost procesů Středně nákladný spoj Provozní náklady nulové Náklady na demontáž relativně malé Poznatky pro návrh a kontrolu (pro docílení požadovaných a zjištění dosažených vnějších a obecných vnitřních konstrukčních vlastností) STAVEBNÍ STRUKTURY (pro typické provedení)

6 ÚNOSNOST A PEVNOST (pro typické provedení) U spoje s více pery (max. 3) nelze vzhledem k nepřesnosti výroby předpokládat rovnoměrné zatížení všech per, což se v tomto případě vyjadřuje fiktivním snížením počtu per n p pomocí součinitele k ef (druhou možností by bylo snížení dovolených napětí jako např. u měrného tlaku na závity, příp. čepu na válcové uložení): počet per k ef 1,0 ~ 0,6 ~ 0,5 Příčný průřez normalizovaných per (b x h) je stanoven tak, že spoj, který vyhoví z hlediska měrných tlaků mezi perem a spojovanými částmi, vyhovuje i z hlediska smykového napětí v peru (normalizovaná pera tudíž není již nutné kontrolovat na smykové napětí). Rozdíly ve vzdálenostech působišť síly F na pero od osy hřídele (0,45d 0,5d) uváděné v literatuře, jsou vzhledem k celkovému zjednodušení výpočtu, rozptylu materiálových konstant, nepřesnosti zatížení M t a rozptylu volené bezpečnostní naprosto nepodstatné (~ 10%) a je proto uvažován nejjednodušší případ s 0,5d. Pozor, přilehlé průřezy spojovaných částí (hřídele příp. i náboje) mohou být namáhány nejen od zatížení přenášeného spojem. Proto musí být jejich kontroly provedeny při komplexní kontrole těchto součástí, nikoli při řešení spoje (jak je v literatuře často uváděno)! Při návrhu a kontrole zeslabeného průřezu hřídele se jako základní d ef pro výpočet napětí potom uvažuje: d ef = d (skut) - t Měrný tlak ve styku pera s hřídelem a nábojem obecně pro n p per: h st = h - 2a kde: F celk součet všech obvodových sil na jednotlivá péra od M t S celkef celková efektivní styková plocha všech per

7 k ef součinitel efektivního počtu nesoucích per (viz tab.) n p počet per h st, l st styková výška s šířka pera a sražení pera Větší hloubka drážky v hřídeli (t) než v náboji (t 1 ) dle ČSN není v rozporu s výpočtem měrného tlaku na shodných stykových výškách pera s hřídelem (h st / 2) a nábojem (h st / 2), neboť t, t 1 je měřeno v ose pera, zatímco h / 2 na jeho bocích V praxi se obvykle uvažuje h st = h, tj. zanedbává se sražení pera a Při návrhu spoje obvykle: Mt (max) = K dyn. Mt => materiál, rozměry,... Při kontrole spoje obvykle: bezpečnost <= Mt (max), materiál, rozměry,... Orientačně lze uvažovat K dyn = { 1, 2 }