W książce omówiono teorię i praktykę konstruowania elementów i zespołów maszynowych służących do nadawania ruchu maszynom. Skrypt stanowi usystematyzowane zwarte kompendium najnowszej niezbędnej wiedzy inżynierskiej o elementach maszyn i elementach konstrukcji napędów oraz o zachodzących w maszynach zjawiskach i procesach wraz z odniesieniami do historycznego dziedzictwa konstrukcyjnego oraz do własnych doświadczeń zespołu autorów.
ZAWARTOŚĆ zarys historii techniki napędowej maszyny i ich układy napędowe obciążenia, zjawiska i procesy zachodzące w maszynach sprężyny metalowe i elastomerowe wały i osie łożyska toczne i ślizgowe sprzęgła i hamulce przekładnie zębate, planetarne, śrubowe, łańcuchowe, pasowe
PRZEZNACZENIE • podstawa całościowego wykładu na temat konstrukcji i eksploatacji napędów maszyn • fundament monotematycznych wykładów na temat określonych elementów lub zespołów napędu maszyn • źródło wiedzy przeznaczone do samodzielnego studiowania • przewodnik dla doświadczonych konstruktorów
ISBN
978-83-7U3-347-4
W książce omówiono teorię i praktykę konstruowania elementów i zespołów maszynowych służących do nadawania ruchu maszynom. Skrypt stanowi usystematyzowane zwarte kompendium najnowszej niezbędnej wiedzy inżynierskiej o elementach maszyn i elementach konstrukcji napędów oraz o zachodzących w maszynach zjawiskach i procesach wraz z odniesieniami do historycznego dziedzictwa konstrukcyjnego oraz do własnych doświadczeń zespołu autorów.
ZAWARTOŚĆ zarys historii techniki napędowej maszyny i ich układy napędowe obciążenia, zjawiska i procesy zachodzące w maszynach sprężyny metalowe i elastomerowe wały i osie łożyska toczne i ślizgowe sprzęgła i hamulce przekładnie zębate, planetarne, śrubowe, łańcuchowe, pasowe
PRZEZNACZENIE • podstawa całościowego wykładu na temat konstrukcji i eksploatacji napędów maszyn • fundament monotematycznych wykładów na temat określonych elementów lub zespołów napędu maszyn • źródło wiedzy przeznaczone do samodzielnego studiowania • przewodnik dla doświadczonych konstruktorów
Bogdan Branowski, Sebastian Głowala, Rafał Mostowski, Piotr Pohl, Maciej Sydor, Dariusz Torzyński, Grzegorz Wieloch, Marek Zabłocki
podstawy konstrukcji napędów maszyn historia • obciążenia • zjawiska sprężyny • wały • łożyska • sprzęgła hamulce • przekładnie
PKM2
pod redakcją Bogdana Branowskiego
^|f>
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej Poznań 2007
Recenzent d r h a b . inż. J A R O S Ł A W S T R Y C Z E K , prof. n a d z w . AUTORZY:
Bogdan BRANOWSKI (rozdz. 2 , 3 , 5 , 6, 7 , 9 , 1 4 ) ; Sebastian GLOWALA (rozdz. 5 ) ; Rafa! MOSTOWSKI (rozdz. 4 ) ; Piotr POHL (rozdz. 1 1 , 1 2 ) ; Maciej SYDOR (rozdz. 1 ) ; Dariusz TORZYŃSKI (rozdz. 1 3 ) ; Grzegorz W I E L O C H (rozdz. 8 ) ; Marek ZABŁOCKI (rozdz. 1 0 )
Skład tekstu Maciej Sydor Projekt okładki Marek Zabłocki, Piotr Gołębniak Redakcja Aleksandra Springer
Utwór w całości ani w e fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mecha nicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.
ISBN 978-83-7143-347-4 Wydanie I © Copyright by Politechnika Poznańska, Poznań 2 0 0 7 W Y D A W N I C T W O POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ
6 0 - 9 6 5 Poznań, pl. M . Sklodowskiej-Curie 2 tel. ( 0 6 1 ) 6 6 5 3 5 1 6 , faks ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 3 5 8 3
e-mail:
[email protected]
http://www.ed.put.poznan.pl
Sprzedaż publikacji: Księgarnia Politechnik, 6 1 - 1 3 8 Poznań, ul. Piotrowo 3 tel. ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 2 3 2 4 ; faks ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 2 3 2 6
e-mail:
[email protected]
www.politechnik.poznan.pl
Druk: Zakład Poligraficzny GRAFIKA e-mail:
[email protected] 6 1 - 0 6 2 Poznań, ul. Leszka 2 2 , tel./fax ( 0 6 1 ) 8 7 6 8 9 0 8
Spis treści Przedmowa
'
1. PRZYCZYNEK DO HISTORII TECHNIKI NAPĘDOWEJ
9
1.1. O p o w s t a n i u i r o z w o j u m a s z y n
9
1.2. Z a s t ą p i e n i e t a r c i a p o s u w i s t e g o t a r c i e m t o c z n y m
13
1.3. T e c h n i k a p o l s k a w o ś w i e c e n i o w e j p e r s p e k t y w i e i n ż y n i e r s k i e j
16
1.4. R e w o l u c j a p r z e m y s ł o w a
20
1.5. Z a r y s historii p r z e k ł a d n i z ę b a t y c h
21
1.6. L i t e r a t u r a
24
Zagadnienia kontrolne
24
2. MASZYNY I ICH UKŁADY NAPĘDOWE
25
2.1. Maszyna
25
2.2. Układ n a p ę d o w y maszyny
31
2.3. Charakterystyki mechaniczne silników, sprzęgieł i przekładni
38
2.4. Literatura
42
Zagadnienia kontrolne
42
3. OBCIĄŻENIA W MASZYNACH
43
3.1. Zmienność obciążenia
•.
43
3.2. K s z t a ł t o w a n i e o b c i ą ż e ń d y n a m i c z n y c h
44
3.3. Lokalna nierównomierność rozkładu obciążenia w napędach
46
3.4. O b c i ą ż e n i e w p r o c e s i e e k s p l o a t a c j i
51
3.5. Literatura
53
Zagadnienia kontrolne
53
4. ELEMENTARNE ZJAWISKA I PROCESY W MASZYNACH
55
4.1. Wprowadzenie
55
4.2. W a r u n k i w s p ó ł p r a c y powierzchni
58
4.3. Z j a w i s k o i procesy tarcia
58
4.4. Zjawiska s m a r o w a n i a hydrodynamicznego (HD) i etastohydrodynamicznego (EHD)
60
4.5. Procesy zużywania
63
4.6. Technicznie ważne zjawiska reologiczne
65
4.7. Zjawiska z m ę c z e n i a materiału
70
4.8. Literatura Zagadnienia kontrolne
5. ELEMENTY I UKŁADY SPRĘŻYSTE
78 ".
78
79
5.1. Podstawy systematyki i działania
79
5.2. S p r ę ż y n y m e t a l o w e
90
5.3. Obliczenia i kształtowanie sprężyn talerzowych
104
5.4. S p r ę ż y n y e l a s t o m e r o w e ( g u m o w e )
108
5.5. S p r ę ż y n y g a z o w e
116
5.6. L i t e r a t u r a
119
Zagadnienia kontrolne
120
6. WAŁY I OSIE
121
6.1. Definicje 6.2. N a z e w n i c t w o i p o d z i a ł
121 122
6 . 3 . W y t r z y m a ł o ś ć w a l ó w i osi
124
6.4. D y n a m i c z n e z a c h o w a n i e w a ł ó w
149
6.5. Literatura
155
Zagadnienia kontrolne
7. ŁOŻYSKOWANIA I ŁOŻYSKA TOCZNE
155
157
7.1. Funkcje łożysk tocznych
157
7.2. Ł o ż y s k o w a n i a t o c z n e
159
7.3. B u d o w a i klasyfikacja łożysk tocznych
162
7.4. K i n e m a t y k a i d y n a m i k a ł o ż y s k t o c z n y c h
167
7.5. N o ś n o ś ć łożysk tocznych
170
7.6. P a s o w a n i a i s z t y w n o ś ć łożysk
190
7.7. Tarcie łożysk tocznych
191
7.8. Uszczelnienia łożysk
193
7.9. L i t e r a t u r a
199
Zagadnienia kontrolne
200
8. ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE
201
8.1. Definicja, funkcje i zastosowanie
201
8.2. C h a r a k t e r y s t y k a i r o d z a j e
202
8.3. F i z y c z n e p o d s t a w y d z i a ł a n i a
204
8.4. P o d s t a w y teorii s m a r o w a n i a
206
8.5. K o n s t r u k c j a ł o ż y s k p o p r z e c z n y c h
210
8.6. K o n s t r u k c j a ł o ż y s k w z d ł u ż n y c h
214
8.7. Ł o ż y s k a z t a r c i e m s u c h y m i m i e s z a n y m
216
8.8. O b l i c z a n i e ł o ż y s k ś l i z g o w y c h p o p r z e c z n y c h
217
8.9. O b l i c z a n i e ł o ż y s k ś l i z g o w y c h w z d ł u ż n y c h
223
8.10. M a t e r i a ł y ł o ż y s k o w e
223
8.11. Literatura
227
Zagadnienia kontrolne
9. PRZEKŁADNIE ŚRUBOWE
227
229
9.1. Zastosowania i charakterystyki
229
9.2. E l i m i n a c j a l u z ó w w p r z e k ł a d n i ś r u b o w e j
236
9.3. M o d e l o w a n i e konstrukcji śrubowej przekładni ślizgowej
237
9.4. L i t e r a t u r a
242
Zagadnienia kontrolne
10. SPRZĘGŁA I HAMULCE 10.1. Sprzęgła - funkcje, podział i obciążenie
243
245 245
10.2. S p r z ę g ł a s z t y w n e
248
10.3. S p r z ę g ł a s a m o n a s t a w n e
257
10.4. S p r z ę g ł a p o d a t n e
264
10.5. Sprzęgła włączalne
273
10.6. S p r z ę g ł a s a m o c z y n n e
291
10.7. H a m u l c e - f u n k c j e , p o d z i a ł i o b c i ą ż e n i e
299
10.8. L i t e r a t u r a
305
Zagadnienia kontrolne
306
11. PRZEKŁADNIE PASOWE
307
11.1. Wiadomości wstępne
307
11.2. Siły i n a p r ę ż e n i a w c i ę g n a c h p r z e k ł a d n i p a s o w e j
309
11.3. Poślizgi pasa
316
11.4. Kąt o p a s a n i a i d ł u g o ś ć p a s a
319
11.5. N a p i n a n i e p r z e k ł a d n i p a s o w y c h
321
11.6. R o d z a j e p a s ó w
323
11.7. N a p ę d y l i n o w e
340
11.8. Literatura
341
Zagadnienia kontrolne
342
12. PRZEKŁADNIE ŁAŃCUCHOWE
343
12.1.
Wiadomości wstępne
343
12.2.
Rodzaje łańcuchów
344
12.3.
Nierównomierność biegu łańcucha
349
12.4.
Zależności w kole ł a ń c u c h o w y m dla łańcucha d r a b i n k o w e g o
351
12.5.
Obciążenie łańcucha podczas pracy
351
12.6.
Uproszczony obliczeniowy algorytm doboru przekładni łańcuchowej z łańcuchem rolkowym
353
12.7.
Smarowanie łańcuchów
355
12.8.
Regulacje zwisu łańcuchów i napinanie
356
12.9.
Inne zastosowania łańcuchów
12.10 Literatura
358 •
Zagadnienia kontrolne
13. PRZEKŁADNIE ZĘBATE 13.1.
Funkcje przekładni zębatej
13.2.
M i e j s c e p r z e k ł a d n i z ę b a t y c h n a tle o g ó l n e j k l a s y f i k a c j i p r z e k ł a d n i
360 360
361 361
mechanicznych
362
13.3.
P o d s t a w o w e pojęcia
362
13.4.
Rodzaje przekładni zębatych
369
13.5.
W y t w a r z a n i e i b u d o w a kół zębatych
372
13.6.
Teoria zazębienia
379
13.7.
Przekładnie walcowe
387
13.8.
Przekładnie stożkowe
402
13.9.
Charakter obciążenia przekładni zębatych
408
13.10.
Wytrzymałość przekładni
415
13.11.
Literatura
14. PRZEKŁADNIE PLANETARNE
426
429
14.1.
Definicje, charakterystyka i zastosowanie
429
14.2.
Proste przekładnie planetarne
433
14.3.
Złożone mechanizmy planetarne
442
1.4.4.
Falowe przekładnie mechaniczne
444
14.5.
Literatura
448
PrZedniOW3.
„A naprzód co jest ingenier. Ingenier, a z wioska nazwany indzienier słowo z tytułu barzo wysokiego i zacne go, bo ingenium ad ingeniarum [lac. - ta lent do pomysłów] - od wynalazków wszelkich, inwencyj, struktur i machin generaliter (ogólnie) jest nazwany (...) A większy i zacniejszy jest tytuł i honor bydź ingenierem niż matematykiem, bo matematyk może bydź tyło uczony, a ingenier practice umiejący nauki mate matyczne w samej rzeczy odprawić, eg zekwować i robić - jako zacniejsza z samą nauką - praktyka od samej na uki".
Józef Naronowicz-Naroński, Architectura militaria, to jest budownictwo wojenne (1655-1659)
Zamysł napisania książki dydaktycznej dojrzewał wolno. Autorów nurtowało pytanie - po co tworzyć nowe opracowanie, skoro istnieje wiele dobrych publika cji polskich i obcojęzycznych, a polska literatura konstrukcyjna zawiera wiele znakomitych i całościowych ujęć przedmiotu „podstawy konstrukcji maszyn". W zasadzie każde pokolenie profesorów w ostatnim pięćdziesięcioleciu pozo stawiło swoje piętno w postaci obszernej monografii w objętości powyżej 1500 stron. Obszar i głębia wiedzy zawartej w tych dziełach odpowiadają bardziej po trzebom wykładowców i doktorantów niż współczesnych studentów studiów poli technicznych. Współczesny trzystopniowy system studiów inżynierskich, magi sterskich i doktoranckich w szkolnictwie wyższym wymaga odrębnego piśmien nictwa dydaktycznego dla każdego rodzaju studiów. Niniejsza książka jest przeznaczona dla studentów studiów magisterskich na wydziałach mechanicznych politechnik na kierunkach „mechanika i budowa maszyn" i „transport" oraz studentów studiów magisterskich na wydziałach tech nologii drewna uniwersytetów przyrodniczych, studiujących różne przedmioty podstawy konstrukcji maszyn, maszynoznawstwo czy elementy mechanicznych układów napędowych. Według naszych koncepcji książka powinna umożliwiać realizację starych po stulatów zawartych w projekcie profesora Politechniki Warszawskiej Stanisława Płużańskiego z 1941 roku, dotyczącym reorganizacji szkolnictwa zawodowego w Polsce, a opracowanym dla emigracyjnego rządu londyńskiego:
• •
raczej kształcić przyszłego inżyniera, niż nauczać, raczej dawać doskonałe podstawy, prawie niezmieniające się w czasie, niż często zmieniające się formy zastosowań. Powinna także być zgodna z nowymi postulatami wynikającymi z potrzeb se lekcji szybkozmiennej i obszernej konstrukcyjnej wiedzy obiektowej i z potrze bami szeroko rozumianej praktyki inżynierskiej w zmienionym środowisku pra cy inżyniera. Spełnieniem tych postulatów nie może być nowy, obszerniejszy od wcześniej szych, podręcznik bez wewnętrznego porządku, selekcji i hierarchii wykładanej wiedzy. Ta publikacja, rozpoczynająca się od rysu historii rozwoju techniki napę dowej, syntezuje ważne dla konstruowania podstawowe zjawiska i procesy fizyczno-mechaniczne oraz wskazuje na ich wpływ na trwałość i niezawodność maszyn. Obciążenie, a właściwie jego zmienność w eksploatacji, jest potraktowa na jako problem konstrukcyjny. Książka umożliwia syntezę wiedzy „od ogółu do szczegółu", czyli od maszyny przez jej napęd do elementów techniki napędo wej. Autorzy wprowadzają różnorodne zagadnienia klasyfikacji, oceny i wyboru zespołów konstrukcyjnych oraz elementów opartych na racjonalnych kryteriach. Zachowują przy tym hierarchię w przedstawianiu obiektowej wiedzy, zgodną z wynikami badań jej zastosowania. Wyraźnie uprzywilejowane są rozdziały do tyczące osi i wałów, łożysk tocznych oraz uszczelnień, mniejsze znaczenie mają rozdziały poświęcone sprężynom, sprzęgłom i hamulcom, a najmniejsze rozdziały związane z przekładniami. Książka powinna być pomocna przy powtarzaniu wykładów, chociaż nie może zastąpić samego uczestnictwa w wykładach. Chodzi o zerwanie jednostronnej komunikacji w procesie nauczania, to znaczy sytuacji, w której wysokiej aktyw ności wykładowcy odpowiada pasywna postawa studenta. Student powinien od krywać, współpracować i przeżywać odkrywanie wiedzy, a wykładowca moty wować, organizować, doradzać w procesie dydaktycznym. Przy tej zmianie zasa dy nauczania z „przekazywania wiedzy" na „sprostanie uczeniu się" można prze prowadzić wykład obejmujący tylko wybrane, interesujące lub ważne części mate riału dydaktycznego, uwolnić wykładowcę od rutyny i powiązać treści wykładu z jego doświadczeniem.
Z pozdrowieniami dla życzliwych Czytelników
Bogdan Branowski i współautorzy Poznań, maj 2007
1. PRZYCZYNEK DO HISTORII TECHNIKI NAPĘDOWEJ
NAJSTARSZY N A P Ę D - antikithira z I w. p.n.e.
1.1. O p o w s t a n i u i r o z w o j u m a s z y n Technika jest tak stara jak rodzaj ludzki. Nie rozpoczęła się bynajmniej w czasach skonstruowania bardziej wyspecjalizowanych narzędzi w starożytności, lecz przyszła na świat razem z ludźmi. Pierwsze ślady, jakie pozostawili na ziemi nasi antenaci, są śladami początków techniki (za najstarszy artefakt uważany jest pięściak , wytwór kultury 01duvai, sprzed ok. 2 min lat p.n.e., znaleziony w latach pięćdziesiątych XX w. w Tanzanii [14]). Współczesne maszyny osiągnęły wysoki stopień rozwoju w wyniku tysięcy lat przeobrażeń i udoskonaleń; ich rozwój od czasów najdawniejszych do chwili obecnej następował w sposób ewolucyjny. Proces ten miewał okresy przyspieszeń i zahamowań, a nawet cofnięć. Powstanie i ewolucja maszyn były i są przejawem odwiecznej konieczności wzmacniania i zastępowania narządów człowieka, związanej z nieustannym dążeniem do coraz to lepszego (jakościowo i ilościowo) zaspokojenia różnego rodzaju potrzeb. Do skonałym tego przykładem jest licząca co najmniej 37 000 lat koncepcja łuku (rys. 1.1). Łuk był pierwszym urządzeniem zdolnym do gromadzenia i przetwarzania energii; zmagazynowana w drzewcu potencjalna energia sprężystości zamieniana na energię kinetyczną strzały znakomicie zwiększyła możliwości łowieckie na szych paleolitycznych przodków. Przyspieszyła też rozwój techniki. Wydatne skrócenie czasu poświęcanego na polowania umożliwiło powstanie pierwszych dzieł sztuki (malowidła naskalne, pierwsze rzeźby) oraz całej masy nowych na rzędzi zwiększających możliwości wytwórcze, ale także tworzących zupełnie 1
' Narzędzie krzemienne o kształcie trójkątnym lub owalnym z masywną podstawą (uchwytem) oraz częścią roboczą w formie spłaszczonego obustronnie stożka z dwoma krawędziami tnącymi oraz szpiczastym wierzchołkiem.
nowe i niespotykane wcześniej potrzeby inspirujące do kolejnych wynalazków. Można uznać, że łuk był najbardziej znaczącym wynalazkiem w historii techniki jako pierwsza i przez to najważniejsza innowacja stymulująca jej rozwój.
Rys. 1.1. Podstawowe typy łuków: a) prosty - najstarsza forma luku, b) refleksyjny (I w. p.n.e.)
Kolejnym znaczącym wydarzeniem w rozwoju techniki była rezygnacja z koczowniczego trybu życia, której towarzyszył rozwój rolnictwa i wykorzysta nie siły pociągowej udomowionych wcześniej zwierząt. Stałe miejsca zamieszka nia społeczności rolniczych umożliwiły wytworzenie oraz przechowanie o wiele większej ilości wytworów techniki niż warunki życia ludów nomadycznych. Konsekutywnym czynnikiem wpływającym na technikę było opracowanie pisma . Wynalazek pisma, umownie oddzielający czasy prehistoryczne od historycznych, umożliwił niezbędną dla rozwoju techniki kumulację wiedzy kolejnych pokoleń. Pierwszymi bardziej złożonymi urządzeniami typu maszynowego były tzw. maszyny proste, stosowane już w neolicie (ok. 8800-2000 rok p.n.e.). Istnieją dwa podstawowe rodzaje maszyn prostych: obrotowe (dźwignia) oraz przesuwne (równia pochyła), a także ich rozwinięcia (np. kołowrót, klin itd.). Umożliwiają one lub ułatwiają wykonanie pracy przez zmianę wartości i kierunków działania sił. Łącząc podstawowe maszyny proste, w III wieku p.n.e. w krajach helleni stycznych skonstruowano dość skomplikowane mechanizmy, m.in. wielokrążek, przenośnik ślimakowy i pompę tłokową. W średniowieczu zaczęto konstruować wiatraki (w Iranie co najmniej od połowy X, w Europie od początku XII wieku), oraz koła wodne stosowane do napędu młynów zbożowych i papierniczych. Opracowanie technik drukarskich w Europie legło u podstaw rewolucji na ukowej zapoczątkowanej na przełomie XIV i XV wieku. Jednym z jej przejawów był przewrót kopernikański - odejście w XVI wieku od kanonów astronomii Pto lemeusza, a następnie przewartościowanie reguł mechaniki Arystotelesa dokonane w wiekach XVI i XVII przez Galileusza, Newtona i innych. Dało to impuls do przyspieszonego rozwoju konstrukcji maszyn i urządzeń, przejawiającego się między innymi doskonaleniem konstrukcji napędów zegarów mechanicznych. Pierwsze mechaniczne zegaiy wieżowe z regulatorem w formie kolebnika (rys. 1.2d) i z napędem grawitacyjnym (w formie opadających obciążników (rys. 1.2a) 2
2
Mezopotamia, polowa IV tysiąclecia p.n.e.
skonstruowano już na przełomie wieków XIII i XIV. Około 1510 roku do napędu zegara zastosowano sprężynę, zaś kółko balansowe zastąpiło kolebnik. Te zmiany konstrukcyjne umożliwiły budowę zegara przenośnego. W 1656 roku zegar waha dłowy, przedstawiony na rysunku 1.2c, zbudowany przez Christiaana Huygensa (1629-1695), uzyskał dokładność rzędu kilku minut na dobę.
Rys. 1.2. Regulacja i napęd pierwszych mechanizmów zegarowych: a) najstarsze przedstawienie grawitacyjnego zespołu napędowego - rysunek z albumu Villarda de Honnecourt (1235); b) mechanizm zegara wieżowego z XIV wieku znalezionego w pałacu w Szczekocinach (woj. śląskie) [13]; c) zegar wahadłowy Christiaana Huygensa (1673); d) kolebnik z wychwytem szpindlowym, 1 i 2 - występy na szpindlu kolebnika współpracujące z kołem wychwytowym (XIII— XIV w.); e) wychwyt z kołem wychwytowym stosowany w zegarach z wahadłem (od XVII w.)
Na rysunku 1.2b przedstawiono mechanizm zegara wieżowego znaleziony w Szczekocinach, wykonany w Polsce w XIV wieku. Jest to jeden z najstarszych
zegarów mechanicznych. Twórca i miejsce zainstalowania urządzenia nie są znane (Uniwersytet Krakowski?). Zegar nie był wyposażony w mechanizm wskazujący czas (tarczę i wskazówki); kolejne godziny sygnalizował uderzeniem w dzwon. Zastosowano w nim wychwyt szpindlowy i kolebnik. Innym przejawem przyspieszonego rozwoju techniki wskutek rewolucji na ukowej był rozwój napędów maszyn i urządzeń w górnictwie, młynarstwie, bu downictwie, hutnictwie, tartacznictwie, garbarstwie, szklarstwie oraz innych dzie dzinach działalności wytwórczej. Od końca XV stulecia szeroko stosowano kiera ty konne do napędu pomp oraz urządzeń dźwignicowych. Szacuje się, że na et nicznie polskich obszarach w XVI w. pracowało ok. 3000 kół wodnych, których łączna moc przekraczała 4500 kW. Napędzały one urządzenia ok. 1000 młynów, 200 kuźnic, 100 tartaków, 30 papierni, a także szereg innych wytwórni [8], Sporządzanie dokumentacji obliczeniowej, rysunkowej oraz tworzenie wirtual nych modeli projektowanych maszyn i urządzeń jest obecnie głównym zadaniem twórców techniki. W czasach obecnych projektant w ten sposób przekazuje infor macje wykonawcom dzieła, tworzącym jego materialną formę. W starożytności i średniowieczu przekazywanie idei i założeń technicznych bezpośrednim twór com wykonywanego obiektu odbywało się wyłącznie poprzez udział konstrukto rów w pracach realizacyjnych. Początkowo były to najczęściej wskazówki ustne, rzadziej szkicowe. Starożytni i średniowieczni inżynierowie oraz majstrowie umieli wznosić wspaniałe i monumentalne budowle, potrafili konstruować i sto sować nowe i nierzadko dość złożone maszyny i urządzenia. Jednocześnie, o dzi wo, nie umieli wykonywać odpowiednich rysunków dobrze przedstawiających konstruowane maszyny i stosowane rozwiązania techniczne. Powstawały wspania łe obrazy, natomiast nie potrafiono wykonać graficznego zapisu konstrukcji dzieł technicznych. Zachowane do naszych czasów rysunki i szkice sporządzone przez wybitnych twórców techniki, np. Villarda de Honnecourta świadczą o tym aż nazbyt dobitnie (por. rys. 1.2a). W czasach odrodzenia uległa poprawie zarówno forma, jak i jakość rysunku technicznego. Leonardo da Vinci (1452-1519) przedstawiał zaprojektowane lub zmodernizowane przez siebie maszyny i urządzenia techniczne w formie szczegó łowych i dokładnych szkiców prezentujących ich budowę i zasady działania. W tym okresie wprowadzono skalę oraz wymiarowanie przedmiotów na rysun kach. Bardziej skomplikowane podzespoły przedstawiano w rzutach. Charaktery styczny dla czasów odrodzenia jest jednak brak danych liczbowych dotyczących mocy, siły, prędkości ruchu itp. na opisach i szkicach maszyn i urządzeń. Te naj istotniejsze w naszych czasach wielkości nie były ówcześnie ściśle zdefiniowane, choć niewątpliwie intuicyjnie rozpoznawane przez konstruktorów. 3
3
Villard de Honnecourt (ok. 1195-?), budowniczy francuski. Wzniósł przypuszczalnie katedrę w Cambrai (nie zachowana). Autor przechowywanego w Bibliotheąue Nationale w Paryżu szkicownika, datowanego na 1235 rok, zawierającego na 33 pergaminowych kartach 325 rysunków technicznych wykonanych piórkiem wraz z dołączonymi objaśnieniami.
1.2. Zastąpienie tarcia posuwistego tarciem t o c z n y m Zjawisko tarcia jest tak powszechne, że stało się przyczyną sformułowania przez Arystotelesa (384-322 p.n.e.) błędnej hipotezy, według założeń której, aby ciało się poruszało, potrzebne jest działanie na nie stałej siły. Tarcie wpływa bez pośrednio na sprawność, trwałość i niezawodność maszyn i urządzeń. Nierzadko eliminacja lub istotne zmniejszenie tego zjawiska umożliwia skonstruowanie no watorskiego urządzenia. Milowym krokiem w rozwoju techniki było zastąpienie tarcia posuwistego tar ciem tocznym. Warto zauważyć, że zastosowanie koła jest osiągnięciem całkowi cie oryginalnym - natura go nie wykorzystuje. Wynalezienie koła oraz jego zasto sowanie w transporcie najprawdopodobniej nie było wynikiem przebłysku geniu szu jakiegoś jednego neolitycznego wynalazcy. Zapewne proces twórczy przebie gał w sposób ewolucyjny. Do niedawna przyjmowano, że koło zostało wynalezio ne ok. 5 tysięcy lat temu na Bliskim Wschodzie (Mezopotamia). Najnowsze zna leziska archeologiczne wskazują jednak, że proces ten mógł się rozpocząć już tysiąc lat wcześniej (w pieiwszej połowie IV tysiąclecia p.n.e.) w Europie Środ kowej (!) (por. rys. 1.3d). Wykopaliska prowadzone na Bliskim Wschodzie nie przyniosły przekonującego dowodu znajomości koła przed 3100 rokiem p.n.e. Według archeologów archetypem wozu najprawdopodobniej były „tragi na szpuli" (powstałe w wyniku ewolucji metody transportu ciężkich ładunków pole gającej na podkładaniu okrąglaków pod sanie transportujące - rys. 1.3a - ten spo sób transportu stosowany był na przykład przy budowie licznie występujących w Europie obiektów megalitycznych ). Ze względu na ogromną użyteczność ta kiego rozwiązania kolejne jego udoskonalenia doprowadziły do zbudowania wozu dwu- lub czterokołowego z obrotowymi osiami (rys. 1.3b i 1.3c). Już w drugiej połowie IV tysiąclecia p.n.e. oś zostaje osadzona nieruchomo, a koła kręcą się na niej - powstaje łożysko ślizgowe. 4
5
6
4
Mogą o tym świadczyć następujące europejskie znaleziska archeologiczne: (1) rysunek wozu wyryty na naczyniu ceramicznym z Bronocic pod Krakowem (połowa IV tysiąclecia p.n.e.); (2) ornament na naczyniu ceramicznym symbolizujący przypuszczalnie wóz czterokołowy (Ostrowiec Świętokrzyski, druga połowa IV tysiąclecia p.n.e.); (3) dwa naczynia - modele wozu z okolic Budapesztu (schyłek IV tysiąclecia p.n.e.); (4) ryt na kamieniu grobowym przedstawiają cy pojazd dwukołowy, ciągnięty przez parę wołów z okolic północnej Hesji (Niemcy) (przełom IV i 111 tysiąclecia p.n.e.); (5) dość liczne fragmenty wozów pochodzących z pierwszych wieków III tysiąclecia p.n.e. - głównie kola i osie, które ugrzęzły w bagnach i zachowały się dzięki brakowi dostępu tlenu. Tego typu wehikuły składają się z trag (traga - platforma sań, na której spoczywa ładunek), zaopatrzonych w dwa gniazda na każdą oś (od spodu). Traga każdą parą gniazd współpracuje z j e d n a „szpulą". Ta szpula to oś, tworząca jedną całość z kołami i przypominająca nieco zestaw kołowy stosowany w kolejnictwie. Dzięki wspomnianym gniazdom „szpula" nie wyjeżdża spod trag (opis na podstawie [5]) - rys. 1.3b. Budowli sakralnych lub grobowych z olbrzymich bloków kamiennych, układanych bez za prawy, wznoszonych w Europie w okresie od ok. 3000 do 750 roku p.n.e. (na Wyspach Brytyj skich do ok. 100 roku p.n.e.). 5
6
Rys. 1.3. Powstanie pojazdów: a) „tragi na szpuli"; b) pojazd o obrotowej osi; c) rekonstrukcja wozu i zaprzęgu z Bronocic z IV tysiąclecia p.n.e. (wg [3], ryc. 53:3, s. 167); d) jeden z piktogra m ó w wozu na naczyniu z Bronocic
Niewątpliwie najstarszym materiałem stosowanym na łożyska ślizgowe jest drewno. Ślizgowe łożyska drewniane wykonywane były z twardego drewna (np. grabu, dębu, akacji). W celu zwiększenia sprawności smarowano je tłuszczem pochodzenia zwierzęcego lub wodą. Wraz z rozwojem konstrukcji wprowadzano nowe materiały konstrukcyjne - metalowe klamry spinające, metalowe czopy. Starano się w ten sposób wyeliminować największą wadę drewna - niewielką wytrzymałość w kierunkach stycznym i promieniowym w porównaniu do wy trzymałości w kierunku równoległym do włókien. W miejscach agresywnych środowisk (np. woda morska lub wyziewy hutnicze), przyspieszających korozję (a szczególnie elektrokorozję) metali, drewno mimo swoich wad przez długi czas nie miało dobrego zamiennika [2]. W XVII wieku drewno zastąpiono metalami, początkowo kojarząc stalowy wał z panewką wykonaną ze stopów miedzi (brązów i mosiądzów). Wał poddawano nawęglaniu, wygrzewając go. w węglu drzewnym lub w szczątkach organicznych (rogi, kopyta bydlęce, odpadki skór). W XVIII wieku rozpoczęto eksperymenty ze stopami łożyskowymi (cynowymi i cynowo-ołowianymi), stosowanymi również w czasach współczesnych. Naturalnym etapem rozwoju technik łożyskowania było zastosowanie tocz nych elementów pośredniczących pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Idea łożyskowania tocznego ma ponad 2000 lat. We wraku rzymskiego statku datowanego na 40 roku p.n.e. odnaleziono obrotowy stół łożyskowany tocznie (znalezisko z jeziora Nemi we Włoszech). Autorem koncepcji łożyskowania kul kowego wałów jest najprawdopodobniej Leonardo da Vinci (ok. 1500 r. - rys. 1.4a). Jednak pierwszy rysunek łożyska kulkowego (w możliwej do zastosowania
formie konstrukcyjnej) składającego się z dwóch bieżni oraz zestawu kulek umieszczonych w koszyku pojawia się dopiero w XVII wieku w pismach Galileo Galilei (1564-1642). Od opublikowania pomysłu Galileusza do jego realizacji upłynęło niemal 100 lat. Podstawową zaletą łożysk tocznych w porównaniu z łożyskami ślizgowymi są bardzo małe opory ruchu w całym zakresie prędkości obrotowej, jednak aby to osiągnąć wymagają one precyzyjnej i trudnej technolo gicznie obróbki współpracujących części: elementów tocznych (kulek, wałeczków itp.), koszyka oraz pierścieni. Nie jest zatem dziełem przypadku, że pierwsze za stosowane łożysko kulkowe zostało zbudowane przez zegarmistrza Johna Harrisona (1693-1776). Doszło do tego dopiero w połowie lat czterdziestych XVIII wieku, łożyska toczne zostały użyte w precyzyjnym chronometrze przeznaczonym do nawigacji morskiej (rys. 1.4b). Pierwszy patent dotyczący konstrukcji łożyska tocznego pochodzi natomiast z 1794 roku i jest autorstwa Philipa Vaughana z Carmarthen (południowa Walia). Początkowo łożyska toczne, z uwagi na proble my z precyzyjną obróbką części składowych, a szczególnie elementów tocznych, były stosowane bardzo rzadko. Dopiero w roku 1883 Friedrich Fischer skonstru ował obrabiarkę (młyn) pozwalającą precyzyjnie i stosunkowo tanio obrobić sta lowe kulki.
Rys. 1.4. Łożyskowanie toczne; a) koncepcja łożyskowania tocznego Leonarda da Vinci (1497) łożysko wzdłużne ( l ) oraz poprzeczne (2) (Codex Madrid I)\ b) precyzyjny chronometr morski H3 konstrukcji Johna Harrisona (1757) - pierwsze zastosowanie łożyskowania tocznego wałów
U progu XX w. Henry Timken, fabrykant i wynalazca, udoskonalił konstrukcję łożysk tocznych, wynalazł i wdrożył do produkcji łożysko igiełkowe (patent z roku 1898). Jego udoskonalenia w zakresie metod obróbki pozwoliły na masową produkcję łożysk tocznych.
1.3. T e c h n i k a p o l s k a w oświeceniowej perspektywie inżynierskiej „Królowie ich podróżują wozami wielkimi, (...) wzniesionymi na czterech kolach. W czte rech rogach ich (tj. tych wozów) są ustawione cztery mocne belki, z których zwisa na mocnych łańcuchach kolebka wyścielona brokatem, tak że siedzący w niej nie trzęsie się podczas wstrząsów wozu. Przygotowują le (tj. wozy z kolebkami) również dla chorych i rannych (...)" . 7
Gwałtowny rozwój techniki europejskiej w XV wieku nierozerwalnie związa ny był z pojawieniem się i rozkwitem literatury technicznej. Pojawienie się tej ostatniej zawdzięczamy genialnemu połączeniem przez Gutenberga znanych już wcześniej trzech współzależnych elementów: ruchomych metalowych wypukłych czcionek o znormalizowanej wielkości (przeznaczonych do wielokrotnego użyt ku), urządzenia do ich szybkiego odlewania oraz prasy drukarskiej. Metoda druku opracowana przez Gutenberga umożliwiała reprodukcję tekstów oraz ilustracji. W ciągu kilkudziesięciu lat od opracowania techniki druku wydano więcej książek niż w całej dotychczasowej historii ludzkości. Obok dzieł o tematyce religijnej, filozoficznej oraz dzieł literackich pojawiły się również książki techniczne. Pierwszy, najwcześniejszy okres rozwoju piśmiennictwa technicznego w Pol sce zaczyna się w połowie XV wieku. Zakres rzeczowy naszej dawnej literatury specjalistycznej obejmuje siedem działów: geodezję, inżynierię lądową, budow nictwo, mechanikę i budowę maszyn, górnictwo i hutnictwo, chemię przemysłową oraz technikę wojenną (ta ostatnia, łącząc w sobie prawie wszystkie wymienione poprzednio dziedziny, stanowi jednak w tych czasach pewną zamkniętą całość). W czasach oświecenia w książkach technicznych pojawiają się informacje o wa dze podnoszonych ciężarów oraz szczegółowe dane dotyczące wymiarów i kine matyki poszczególnych podzespołów i części maszyn (np. obliczenia kinematycz ne przekładni mechanicznych) jednak bez analizy występujących obciążeń me chanicznych oraz ich wpływu na wytrzymałość konstrukcji. Pierwszą polską książką techniczną jest podręcznik do geodezji Marcina z Żu rawicy, profesora Akademii Krakowskiej - Geometria. Dzieło to, napisane w 1450 roku po łacinie, zachowało się do naszych czasów w dwóch odpisach. Po wstępie, obejmującym wyjaśnienie zagadnień teoretycznych (geometria), następu je wykład metod i technik stosowanych w geodezji. Zawód staropolskiego inży niera związany był głównie z wojskiem, wkrótce jednak obok inżynierów woj skowych pojawili się również cywilni. Początkowo nie istniała specjalizacja w wykształceniu inżynierów, każdy z nich musiał posiadać wykształcenie obejmu jące wiele gałęzi wiedzy, m.in. miernictwo, budownictwo wojskowe i cywilne, inżynierię lądową i wodną, mechanikę oraz chemię. 7
Relacja Ibrahima ibn Jakuba z podróży do krajów słowiańskich (odbytej w latach 965-966) w przekładzie Al-Bekriego; w g [1],
Autorem pierwszej książki traktującej o metodach konstruowania maszyn na pisanej
w języku
polskim
był
Stanisław
Solski
8
(Architekt
polski,
wydany
w 1690 r o k u - r y s . 1.5a).
ARCHITEKT POLSKI. TO
i
f
S 7
N AVKA V L Ż E N I A WSZELKICH
CIĘŻARÓW.
Vśywania potrzebnych Machin, śiemnych y wodnych. Scawunia ozdobnych Kośćiolbir mafym kofztcm. O proporcyt rzeczy wyfoko ftoiacych. O w (chodach y pawimentach. Czego (i» chronić y irzj-mac » budynkach od «uRd£/VKn» tow iż do dachu. O Fortyfikicyl. X o infzyc.h trudno&iźtri Budowniczych. DO DRVKV PODANI.
X.
S T A Ht
t Ał 9Z KB ZM l i r i l t t SOC«l«łł J & S f: ł>
» M D C L X X X Ł *6mk4t*l MlKoUn AkiaAMB*.* 8 c « « » w J-feM.O l i TrpOgl.
b)
L/J5£A
NONVS.
MIRABILIA CHRON O M E T R 1 C A , A u
TECHNASMATA VARIA AD TEMPORUM MECHAN1CAM
piMENSIONEM SftCTAHTIA.
PK.OOEMIUM. Um tempus, tjuod numetum motus ftcundilm priut & pofterius definiunc Philolbphorum Scholar, adco fit du' biae quoad vctoatatem ac tarditatem uniformie us , uc nullus fortaffis ctiamin ccclo fit rńotus, cui illa conflanter compeatj minime: nutumvidertdebct, acc aceuratam cemporis menfutam ullos ha&enus feu Pliilofoplios, (tu AftrorK)mc^fcuquoscwqucChrorromcwis efle aflęcutos, variajidklDuchuui a
inquam, ArcnarU, Horologia rotau , Scuthcrici vatja Ara.lcmm»ticaqae inUrumcnca, mijle atoriIiii bus >
Rys. 1.5. Pierwsze polskie książki z dziedziny mechaniki: a) strona tytułowa Architekta polskiego Slanisiawa Solskiego (1690); b) strona tytułowa Mirabilia Chronometrica Adama Kochańskiego (1687)
Współcześnie z Solskim żył i działał pochodzący z Mazowsza Wojciech TylkowskP (1624-1695). Był on autorem ok. 60 dziel o treści przeważnie teologicz nej lub filozoficznej. Oprócz tego jednak napisał po łacinie kilka prac o charakte rze technicznym. Wśród nich zasługują na uwagę: Geometria practisa
curiosa
(Ciekawa geometria praktyczna), wydana w Poznaniu w 1692 roku, zawierająca wiele danych z dziedziny metrologii, oraz obszerniejsze, czterotomowe dzieło,
8
Stanisław Solski (1620-1670), teolog, matematyk, mechanik i architekt; autor metra polski (1-3, Kr 1683-1686, 713 s.) i Architekt polski (Kr 1690, 261 s.); jezuita; w Rawie (1652-1654), matematyki w Kaliszu (1654-1655) oraz filozofii w Lublinie prefekt szkół i profesor teologii moralnej w Jarosławiu (1659-1660), profesor Pisma niu (1660-1662), rektor w Sandomierzu (1664-1665) oraz prof. teologii moralnej (1666-1667), otrzymał tytuł mathematicus regitis [6].
książek Geo prof. filozofii (1656-1659), św. w Pozna w Przemyślu
Philosophia curiosa (Ciekawa filozofia), wydane w Oliwie wiatach 1680-1682. Szósta księga owej „filozofii", Physica curiosa (Ciekawa fizyka), poświęcona jest zagadnieniom mechaniki. Wojciech Tylkowski omawia w niej „machiny proste" i ich zastosowanie. Między innymi wspomina o ustawianiu w 1644 roku na Placu Zamkowym w Warszawie kolumny Zygmunta z pomocą wielokrążka. Dalej na stępuje opis bardziej skomplikowanych maszyn i urządzeń (m.in. dźwignic, pomp, przekładni mechanicznych itp.). Trzecim obok Solskiego i Tylkowskiego polskim autorem pierwszych podręczników z dziedziny mechaniki i budowy maszyn był Adam Kochański (1631-1700). Dwie jego prace dotyczące budowy zegarów, Novum genus perpendiculi (wydrukowana w 1685 r.) oraz Mirabilia chronometrica (rys. l.5b), wydrukowana w 1687 roku, traktują o rodzajach napędów zegaro wych. W pieiwszej autor opisuje zasadę działania swojego wynalazku, zegarka z wahadłem magnetycznym, natomiast w drugiej m.in. dokonuje klasyfikacji 15 typów kół zębatych, stosowanych w zegarmistrzostwie, opisując i przedstawiając je na rysunkach. Wymieniony Architekt polski Stanisława Solskiego jest pierwszym polskoję zycznym podręcznikiem z dziedziny mechaniki i budowy maszyn, przeznaczony jest dla szerokiego kręgu odbiorców i stanowi bardzo cenny zabytek polskiej ter minologii technicznej. Pierwsza część została wydana w 1690 roku, dalsze zaś prawdopodobnie nie zostały napisane. Istniejąca część Architektapomyślana jako wstęp do obszerniejszej publika cji, obejmuje trzy księgi i traktuje wyłącznie o zagadnieniach mechaniki i budowy maszyn. W księdze, czyli „zabawie" pierwszej, mowa o przyrządach służących do podnoszenia ciężarów - dźwigni, śrubie itp. „Zabawa" druga poświęcona jest zagadnieniom budowy młynów wodnych, kieratów, wiatraków i innych urządzeń, w których mają zastosowanie napędy mechaniczne. Zamieszczono w niej wiele wzorów do obliczeń inżynierskich oraz tablic służących m.in. do doboru parame trów kół zębatych dla projektowanych maszyn i urządzeń. „Zabawa" trzecia za wiera wiadomości z hydromechaniki. W Architekcie... przedstawiono szczegóło wo konstrukcję kilkudziesięciu maszyn i urządzeń. W tekście zamieszczono opi sane odnośniki do lysunków, oznaczone kolejnymi literami alfabetu; ułatwia to zrozumienie zasad działania opisywanych urządzeń. Wskazówki przeznaczone dla budowniczych opisywanych konstrukcji opatrzone są wieloma praktycznymi ra dami mającymi na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa popełnienia ewentual nych błędów konstrukcyjnych. „Znaczna tego przemysłu jest potrzeba, aby koła mniejsze bliższe były ciężaru, który do góry ciągniemy, gdyż im koła większy mają obwód, tym ramiona dłuższe mieć muszą zaczym słabsze i niebezpieczniej sze do zniesienia ciężarów". Tak pisał Solski we wstępie do opisu wciągarki bu dowlanej (rys. 1.6a). W Architekcie polskim zamieszczono również szereg informacji eksploatacyj nych dotyczących opisywanych maszyn i urządzeń. „Na tym miejscu przydawani 9
Przemyśl - pomysł.
10
opis piły prostej konnej o 1 kole i o jednych cewach korbę piłową obracających, która piła na dzień 1 może ze dwojga drzewa miąższego na ćwierci 3 jednego łokcia" zerżnąć tarcic 18 i nadto 4 obżalce" . Piła prosta konna przedstawiona jest na rys. 1.6b. 12
Rys. 1.6. Rysunki maszyn zamieszczone w Architekcie polskim: a) „sposób rozłożenia kól w ma chinach, aby mniejsze były bliższe ciężaru, a większe dalej"; b) „piła konna prosta, której para koni zdoła"
Prace XVII-wiecznych polskich autorów książek technicznych nie tylko od twarzają stan ówczesnej techniki; również wnoszą do niej wiele oryginalnych
Cewa - pręt (tutaj w znaczeniu palec kola). " 1 łokieć - 24 cale polskie (1 cal polski = 24,8 m m ) . Obżalec - obrzyn, odpadek powstały po przetarciu drewna. 12
rozwiązań. W wielu dziedzinach polska literatura techniczna tamtego okresu znaj dowała się w ścisłej czołówce europejskiej. 1.4. Rewolucja p r z e m y s ł o w a Rewolucja przemysłowa, czyli proces przejścia od produkcji rzemieślniczej do fabrycznej (przemysłowej), oraz związany z nią przyspieszony rozwój techniki, przebiegła w dwóch fazach. Istotą pierwszej fazy przemian (przełom wieków XVII i XVIII) było zastosowanie energii pary wodnej jako siły napędowej w pro cesach produkcyjnych. Przyczyniły się do tego wynalazki techniczne związane z rozwojem maszyn produkcyjnych (takich jak maszyny przędzalnicze, tkackie itp.), a ich rozwój wywołał z kolei zapotrzebowanie na łatwo dostępną energię mecha niczną uzyskiwaną za pomocą pary wodnej. W tabeli 1.1 zestawiono wynalazki, które zapoczątkowały gwałtowny, „rewolucyjny" rozwój techniki europejskiej. Tabela 1.1. Wynalazki, które legły u podstaw rewolucji przemysłowej
Rok 1654 1690 1712 1712 1733 1765 1771
Wynalazca, kraj Otto von Guericke (Niemcy) Denis Papin (Wielka Brytania) Thomas Savery (Wielka Brytania) Thomas N e w k o m e n (Wielka Brytania) John Kay (Wielka Brytania) James Watt (Wielka Brytania) Richard Arkwright (Wielka Brytania)
Opis pokazy zastosowania podciśnienia (kule magdeburskie) kociołek Papina, zastosowanie podciśnienia przy skraplaniu pary do wykonania pracy mechanicznej beztłokowa pompa parowo-wodna „przyjaciel górnika", wy korzystująca podciśnienie skroplonej pary atmosferyczny tłokowy silnik parowy wykorzystujący podci śnienie po skropleniu pary latające czółenko tkackie (tzw. „szybki strzelec") jeduocylindrowa maszyna parowa ze skraplaczem pary maszyna do przędzenia bawełny
Bardzo duży wpływ na wzrost możliwości konstrukcji nowych maszyn i urządzeń miało opanowanie metody wytopu żelaza z użyciem węgla kamienne go, a szczególnie opanowanie nowych metod wytwarzania stali z surówki (H. Bessemer - 1856, P. Martin - 1864, S.G. Thomas - 1879 rok). Warto zauwa żyć, że przetworzenie 5 ton surówki na tzw. żelazo kowalne (stal podeutektoidalną - o zawartości węgla poniżej 0,77%) średniowieczną metodą fryszerską trwało ok. 10 dni, z zastosowaniem (udoskonalonej w końcu XVIII wieku w Anglii) metody pudlarskiej - półtora dnia, a metodą Bessemera - 20 minut. Przemiany charakterystyczne dla pierwszej fazy rewolucji przemysłowej roz poczęły się w Wielkiej Btytanii ok. roku 1760, w Stanach Zjednoczonych i Belgii
ok; 1820, we Francji ok. 1830, w Niemczech ok. 1840, w Królestwie Polskim ok. 1860, a w Rosji ok. 1880 roku. Druga faza rewolucji przemysłowej przypada na drugą połowę XIX i początki XX stulecia. Spowodowana została gwałtownym przyspieszeniem rozwoju nauki, któremu towarzyszyło powstanie nowych (i znaczne udoskonalenie istniejących) rozwiązań technicznych, począwszy od transportu kolejowego, poprzez tłokowy silnik spalinowy aż do silników elektrycznych. Wynalezienie silnika spalinowego, odkrycia w dziedzinie elektrotechniki, zastosowanie turbin wodnych (od pierwszej polowy XIX w.) i parowych (koniec XIX w.) umożliwiły budowę wielkich elek trowni i sieci elektrycznych (od końca XIX w.) i zapewniły możliwości przesyłu energii elektrycznej na znaczne odległości Zwiększyła się dostępność do energii mechanicznej. Przyczyniło się to do dalszego gwałtownego rozwoju techniki na pędowej w XX wieku. 1.5. Zarys historii przekładni zębatych Właściwy rozwój przekładni zębatych, stanowiących po dziś dzień podstawo we elementy wielu napędów, związany był początkowo z doskonaleniem kon strukcji urządzeń do przepompowywania wody, następnie przyrządów astrono micznych oraz zegarów wodnych, a szczególnie zegarów mechanicznych. Kto i kiedy po raz pierwszy zastosował koło zębate - trudno jest dzisiaj dociec. Pierw sze wzmianki o mechanizmie z przekładnią zębatą znajdują się w pismach Arysto telesa (384-322 r. p.n.e.). Najstarszy zachowany tego typu mechanizm wyłowiono z morza u wybrzeży greckiej wyspy Antikithiry w roku 1900 (rys. 1.7).
Rys. 1.7. Mechanizm zębaty anlikilhira
(gr. avTiKx>0\\pa) z II wieku p.n.e. (a) oraz jej schemat (b)
Mechanizm zębaty antikithira, datowany na II w. p.n.e., składa się najprawdo podobniej z 37 kół zębatych wykonanych z brązu. W latach 50. XX wieku ustalo no, że był to przyrząd astronomiczny do precyzyjnego wyznaczania wzajemnych położeń Słońca, Księżyca i innych planet. Chronologię rozwoju przekładni zębatych od czasów najdawniejszych do współczesnych przedstawiono na rysunku 1.8. przekładnie
przekładnie
drewniane
metalowe (brąz) (
0
p r z e k l
s t o p y
m
z e
e
t
i
a
l
zęby cykloidaine zęby ewolwentowe
a z a )
1450
1630
1700
1800
2000
rewolucja przemysłowa urządzenia do zegary skrzynki silnik przepompomłyny przekładniowe spalinowy wywania w o d y wodne wjad-a^j dźwignice silnik parowy
Rys. 1.8. Chronologia rozwoju przekładni zębatych oraz ich zastosowań w maszynach
Przyspieszony rozwój konstrukcji przekładni zębatych nastąpił w Europie w czasach renesansu. Wiele rysunków tego typu mechanizmów znajduje się w pismach Leonarda da Vinci. W latach 30. XVII wieku francuski matematyk i architekt Girard Desargues (1591-1661) zaproponował zarys cykloidalny zębów. Po raz pierwszy w dziejach budowy maszyn umożliwiło to zamienność części. Stosowany po dziś dzień zarys ewolwentowy został zaproponowany i uzasadniony teoretycznie przez Phillipe'a de la Hire (1640-1718) w Traktacie o epicykloidach i ich wykorzystaniu w mechanice^, wydanym we Francji w i 694 roku. Do początku XVII wieku, wytwarzając koła zębate, korzystano z pracochłonnej ręcznej metody polegającej na wypiłowywaniu wytrasowanych wcześniej wrębów pilnikiem. Pierwsza wzmianka o obrabiarce do zautomatyzowanego nacinania zębów kół zębatych (stosowanych w zegarmistrzostwie) pojawia się w 1672 roku w pamięt niku astronoma Roberta Hooke'a (1635-1703), a pierwszy znany opis tego typu urządzenia autorstwa Nicolasa Biona pochodzi z 1709 roku (Traktat o konstrukcji i zasadach stosowania instrumentów matematycznych^). Prekursorami studiów nad zależnościami geometrycznymi współpracujących kół i związaną z nimi kinematyką przekładni zębatej o zębach ewolwentowych byli m.in. Charles Camus (1699-1768) i Leonhard Euler (1707-1783). W 1842 roku ukazała się w Paryżu monografia Teorie geometiyczne przekładni zębatych autorstwa Th. 01iviera. Opracowanie to podsumowywało ówczesny stan wiedzy w tej dziedzinie. W XIX stuleciu kontynuowano prace nad kinematyką zazębienia oraz optyma lizacją zarysów zębów, rozpoczęto również prace nad metodami obliczeń wy15
14
15
Franc, Traite des epicycloides et de leur usage dans les mechaniąues. Ang. Treatise of the Construction and Principal Uses of Instruments of Mathematics. Fraiic. Theorie geometriques des engrenages.
trzymałościowych (pojawiła się konieczność przeniesienia znacznych mocy i prędkości obrotowych w związku z gwałtownym rozwojem tłokowych maszyn parowych, wynalezieniem szybkoobrotowych silników elektrycznych, tłokowych silników spalinowych oraz turbiny gazowej). Powstało szereg nowatorskich i cie kawych konstrukcji przekładni (m.in. przekładnie planetarne oraz przekładnie o kołach nieokrągłych). Na uwagę zasługują prace Franza Reuleaux (1829-1905), jednego z pionierów w teorii maszyn i mechanizmów (rys. 1.9).
Rys. 1.9. Modele XIX-wiecznych nietypowych przekładni [8]: a) z kołami „sercowymi" (niem. Herzraderpaar); b) z nieokrągłymi kolami czworobocznymi (niem. Yiereckig imnmde Rdder)
Problemy związane z obróbką kół zębatych o zębach ewolwentowych sprawi ły, że do końca XIX wieku w przekładniach zębatych stosowano łatwiejszy w wytwarzaniu zarys cykloidalny. Powstanie odpowiednio dokładnych i wydaj nych metod obróbki i kontroli metrologicznej kół na początku XX wieku stało się punktem zwrotnym gwałtownego rozwoju przekładni zębatych w ich współcze snej formie.
1.6. Literatura [I]
K o w a l s k i T . : P o m n i k i d z i e j o w e P o l s k i ( M P H ) , t. 1, K r a k ó w 1 9 4 6 .
[2]
Kozakiewicz P., Matejak M.: Łożyska drewniane, Gazeta Przemyślu D r z e w n e g o , maj 2005.
[3]
K r u k J., M i l i s a u s k a s S.: R o z k w i t i u p a d e k s p o ł e c z e ń s t w r o l n i c z y c h n e o l i t u , l A i E P A N , K r a k ó w 1999.
[4]
M i l i s a u s k a s S., K r u k J.: U t i l i z a t i o n of c a t t l e for t r a c t i o n d u r i n g t h e later N e o l i t h i c in S o u t h e a s t e r n P o l a n d A n t i ą u i t y , 6 5 / 1 9 9 1 .
[5]
M o s z y ń s k i K . : K u l t u r a l u d o w a S ł o w i a n , t. 1, K u l t u r a m a t e r i a l n a , K i W , W a r s z a w a
[6]
M u m f o r d L . : T e c h n i k a a c y w i l i z a c j a , P W N , W a r s z a w a 1 9 6 6 (tyt. o r y g . -
1967.
and cyvilization,
Techmcs
wyd. 1934).
[7]
N o w a k T.: C z t e r y w i e k i p o l s k i e j k s i ą ż k i t e c h n i c z n e j , P W T , W a r s z a w a 1 9 6 4 .
[8]
Orłowski B . (red.): Słownik polskich pionierów techniki, W y d . Śląsk, K a t o w i c e
[9]
S c h r O d e r J.: C a t a l o g o f R e u l e a u x M o d e l s P o l y t e c h n i s c h e s A r b e i t s - I n s t i t u t . Iłlu-
1986. stratiotien v o n U n t e r r i c h t s - M o d e l l e n u n d Apparateni, Polytechnisches
Arbeits-
Institut, D a r m s t a d t l 8 9 9 . [10]
S m i t h W . D . : O p t i m a l s h a p e s for G e a r s , N E C 1 9 9 3 .
[II]
Uzarowiczowa
A.:
Ornament
na
naczyniu
kultury
pucharów
lejkowatych
z O s t r o w c a Ś w i ę t o k r z y s k i e g o , W i a d o m o ś c i A r c h e o l o g i c z n e , 1 9 7 5 , vol. 4 0 s. 3 - 1 3 . [12]
Wiślicki A.: Z dziejów maszyn, Polska Oficyna W y d a w n i c z a B A W , W a r s z a w a 1996.
[13]
Ząjdler L.: Dzieje zegara, W i e d z a P o w s z e c h n a , W a r s z a w a 1980.
Strony www [1]
http://www.miisu.edu/emuseuiWarchaeology/ (dostęp 8 . 1 1 . 2006).
[2]
http://www.huber.republika.pl (dostęp 4. 08. 2006).
[3]
h t t p : / / w w w . g r o u p s . d c s . s t - a n d . a c . u k ( d o s t ę p 6. 0 8 . 2 0 0 6 ) .
[4]
h t t p : / / x a h l e e . o r g ( d o s t ę p 7. 0 8 . 2 0 0 6 ) .
[5]
http://www.woodexbearing.com (dostęp 8 . 1 1 . 2006).
[6]
h t t p : / / w w w . j e z u i c i . k r a k o w . p l ( d o s t ę p 9. 0 6 . 2 0 0 6 ) .
[7]
h t t p : / / w w w . w b s s . p g . g d a . p l ( d o s t ę p 9. 0 6 . 2 0 0 6 ) .
[8]
h t t p : / / e n c y k l o p e d i a . p w n . p l ( d o s t ę p 9. 0 8 . 2 0 0 6 ) .
[9]
http://historical.library.coriiell.edu (dostęp 3 1 . 05. 2007).
Zagadnienia kontrolne 1. W y m i e ń a u t o r a i tytuł p i e r w s z e g o p o l s k o j ę z y c z n e g o p o d r ę c z n i k a z m e c h a n i k i i b u dowy maszyn. 2.
C z y m b y ł a „ r e w o l u c j a p r z e m y s ł o w a " , w k t ó r y m w i e k u p r z e b i e g ł a j e j p i e r w s z a faza w Europie?
2. MASZYNY I ICH UKŁADY NAPĘDOWE
WALCARKA, Leonardo da Vinci, Codex Atlanticus, c. 1515
2.1. M a s z y n a Wprowadzenie jednego pojęcia maszyny zamiast wielu funkcjonujących w technice innych pojęć (przyrząd, agregat, aparat, urządzenie) jest konieczne dla jednoznaczności i uporządkowania języka opisu budowy i działania maszyny. Maszyną nazywamy układ powiązanych elementów, z których przynajmniej jeden jest ruchomy, wraz z urządzeniami roboczymi, układami sterowania i zasi lania, które połączono w celu przetwarzania, obrabiania, przemieszczania lub pa kowania (definicja UE)J Innymi słowy, maszyną nazywamy układ materialny złożony z połączonych elementów, wykonujących określony ruch w celu wyko nania pracy w procesie wytwórczym lub przemiany energii, lub przemiany infor macji. Maszyny realizują zadania techniczne związane z trzema ogólnymi potrze bami ludzkimi: • ułatwienie warunków życia przez zmianę (wytwarzanie i przetwarzanie) materiałów w wyniku: (1) dzielenia, czyli rozdzielania lub oddzielania w wyniku skrawania, krajania (cięcia) i kruszenia; (2) formowania, prze kształcania (zmiany: kształtu w stanie stałym, ze stanu płynnego w stały, ze stanu stałego przez plastyczny w stan stały) przez odlewanie, kucie, praso wanie, wyciskanie, gięcie, tłoczenie czy ciągnienie, (3) łączenia (wiązania) materiału z materiałem (spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie, powleka nie, naparowywanie); • ułatwienie pracy fizycznej przez zmianę ruchów lub sił, czyli przetwarza nie energii w przekładniach techniki napędowej, które z punktu widzenia teorii mechanizmów i maszyn można opisać cechami konstrukcyjnymi: (1) przegubów o różnej liczbie stopni swobody (par kinematycznych, czyli
dwóch członów połączonych ze sobą ruchowo) i (2) członów (np. korpusu, wału, koła zębatego, korbowodu), (3) przekładni podstawowych (czworobo ku przegubowego) oraz (4) przekładni złożonych (łańcucha kinematycznego, czyli układu członów połączonych za pomocą różnych postępowych, obro towych, przegubowych i śrubowych par kinematyczny cli w sposób umożli wiający wzajemne mchy członów, lub też mechanizmu, czyli łańcucha jednobieżnego z jednym członem nieruchomym zwanym podstawą lub ostoją, np. mechanizmu korbowego, przekładni zębatej, przekładni pasowej, mecha nizmu śrubowego) z przypisaniem funkcji dzielenia, łączenia i prowadzenia przegubów (elementom struktury przekładni) zgodnie z wymaganiami fizy kalnymi, to znaczy po określonym torze z określoną charakterystyką ruchu (drogi, prędkości, przyspieszenia, siły lub momenty); •
ułatwienie kontroli przez zmianę (przetwarzanie) informacji (sygnałów o właściwościach przetworzonych materiałów lub energii) w celu zapewnienia (1) bezpieczeństwa maszyny (przez samą maszynę, przez operatora, przez wpływ otoczenia na maszynę i maszyny na otoczenie) ze względu na możliwe zakłócenia (błędy, uszkodzenia, awarie, katastrofy) oraz (2) bezpieczeństwa samego operatora (przed samym sobą, przed maszyną przed otoczeniem).
Maszyny można podzielić na: silniki (do zamiany energii na pracę mechaniczną); maszyny robocze (do zmiany kształtu, stanu lub położenia materiału lub przedmiotu), które z kolei dzielą się na (1) maszyny technologiczne (obra biarki, maszyny budowlane i górnicze), (2) maszyny transportowe (pojazdy, dźwignice i przenośniki), (3) maszyny energetyczne (pompy, sprężarki). Maszyny, zespoły i części można traktować jako systemy maszynowe. Przyjmując definicję systemu |„System to ogół uporządkowanych abstrakcyjnych elementów, czyli funkcji, tworów technicznych i właściwości części, które dzięki swym właściwościom są wzajemnie powiązane relacjami i odgraniczone przez swoje otoczenie lub nadsystem Powiązania relacjami przekształceń i sprzężeń wynikają z zależności między atrybutami zewnętrznych wielkości wejściowych i wyjściowych i ich stanów oraz zależności wewnętrznych części lub podsyste mów")^! można przeprowadzić analizę systemu „maszyna". System funkcjonuje w pewnym otoczeniu, ma funkcję, strukturę i właściwości oraz może znajdować się w różnych stanach. Pojęcia „system" i „układ" są zazwyczaj traktowane jako synonimy. Według .1. Dietricha [1] transformacja wejść w wyjścia w układzie spełniającym funkcje techniczne (bez wnikania w przyczyny i zjawiska tych prze kształceń) pozwala uważać go za system techniczny. Układ jest bowiem abstrak cyjnym lub konkretnym zbiorem elementów o zidentyfikowanych własnościach i właściwościach, które pozwalają wyodrębnić go z innych zbiorów (np. ze wzglę du na funkcję - układy napędu, smarowania, chłodzenia - lub ze względu na bu dowę - układy kinematyczny, nośny). Celem konstruowania jest uzyskanie ukła• •
du, który ma być zmaterializowany, a celem projektowania jest uzyskanie syste mu. System „maszyna" istnieje, by możliwe było działanie mające na celu zaspoko jenie potrzeby. Działaniu,są poddawane masa M, energia E i informacja I (rys. 2. łb) o określonej ilości, jakości i kosztach w rozumieniu pojęć ogólnych: • dla masy (lub materiału): gazy, płyny, ciała stałe, pyły w różnych fazach prze twarzania o określonych właściwościach, a także element konstrukcyjny; • dla energii: mechanicznej, cieplnej, elektrycznej, chemicznej, optycznej czy jądrowej oraz wielkości z nimi związanych - siły, prądu, ciepła, przemieszcze nia, prędkości, przyspieszeń; • dla informacji (sygnału): wielkości mierzone, wskazane, sygnały sterujące, dane. Obieg wielkości M, E, I w maszynie pozwala tylko przy znajomości wielkości wejściowych WE (M, E, I) i wyjściowych WY (M, E, I) sformułować zadanie projektowe i funkcje przy nieznanym rozwiązaniu („czarna skrzynka" na rys. 2 . la). b)
a) otoczenie
WY
WE F*
system
•W W
WE + WY Rys. 2 . 1 . System „maszyna" jako czarna skrzynka: a) wejście (WE) i wyjście (WY) systemu; b) wielkości wejściowe M, E, l oraz wyjściowe M , E, I
Z punktu widzenia dominującego rodzaju zachodzących w maszynie prze kształceń wielkości wejścia i wyjścia można określić klasy maszyn: • maszyny przekształcające energię (silniki sprężynowe, transformatory, akumu latory), • maszyny przekształcające energię i masę (kotły parowe, sprężarki, kruszarki), • maszyny przekształcające energię, masę i informację (obrabiarki), • maszyny przekształcające energię i informację (zespoły automatyki, komputety). Przy projektowaniu lub analizie systemu można rozpatrywać różne aspekty systemowe: proces roboczy, stan roboczy, środki robocze, przestrzeń roboczą i siłę roboczą, a także ich wzajemne oddziaływania (tys. 2.2).
Wielkości w e j ś c i o w e WE
Proces roboczy (operacie)
Stany robocze
Operacja Opi
Malerial
Wielkości wyjściowe WY
Malerial'
> Okolicznoiet U
\Oddziaływania Oi Działania uboczne N
Energia
Informacje
Energia'
Środki robocze
Przestrzeń robocza
Rys. 2.2. Aspekty systemowe
Między systemem a otoczeniem występują, wzajemne działania i oddziaływa nia uboczne. Na rysunku 2.3 przedstawiono system „wał przekładni-koło zębate" oraz występujące wielkości wejściowe i wyjściowe działające na otoczenie lub oddziałujące z nim oraz ich podział na istotne i nieistotne dla spełnienia funkcji systemu.
•
wielkości WE i WY decydujące dla funkcji wielkości W E i WY nieistotne dla funkcji
Rys. 2.3. Działania i oddziaływania wielkości wejściowych i wyjściowych na system „wał przekładni-koło zębate" (indeksy: F - wielkości relewantne dla funkcji, N - wielkości nieistotne dla funkcji)
Można wyróżnić geometryczno-materiałowe i funkcjonalne otoczenie rozpa trywanego systemu (rys. 2.4).
".' olej Rys. 2 . 4 . Otoczenie systemu: geometryczno-materiałowe (a) i runkcjonalne (b)
Funkcja techniczna jest dla określonego celu własnością systemu, czyli jed noznaczną i odtwarzalną zależnością między jego wejściem WE i wyjściem WY. W systemie można wyróżnić funkcję ogólną dla całościowo sformułowanego zadania i funkcje składowe dla zadań częściowych (rys. 2.5). ' a)
funkcja
WE
ogólna
WY
funkcje składowe
WE
i podfunkcje składowe
WE b) Zmiana W E / W Y Rodzaju
Funkcja dotyczy: zmiany/przeksztalcenia
Opis rodzaj, postać zjawiska WE # WY
Wielkości
zmiany
WE < WY lub WE > WY
Liczby
powiązanie
liczba W E > WY lub liczba WE < WY
Miejsca
przewodzenie
miejsce W E = WY lub miejsce W E ± W Y
Czasu
gromadzenie
W E i WY # w czasie
Rys. 2 . 5 . Struktura funkcjonalna i jej opis; a) podział funkcji ogólnej na składowe, b) typowe funkcje ogólnego przeznaczenia
Trafne i zgodne połączenie zbioru funkcji składowych z funkcją ogólną tworzy strukturę funkcjonalną maszyny. Innymi słowy - funkcję ogólną można dekomponować na funkcje składowe, które odpowiadają zadaniom cząstkowym (rys. 2.5a). Inną strukturę podziału tworzą funkcje główne, o bezpośrednim udziale w spełnieniu funkcji ogólnej, a inną funkcje poboczne. Typowe funkcje ogólnego przeznaczenia dotyczą rodzaju, wielkości, liczby, miejsca i czasu (rys. 2.5b). Strukturą systemu (maszyny) jest wewnętrzny i hierarchiczny opis jej budo wy, w którym można wyróżnić: elementy funkcjonalne i strukturalne oraz relacje połączeń i uporządkowania (rys. 2.6). Element jest najmniejszą częścią, której z punktu widzenia celu opisu nie warto dalej dzielić. Relacje są wzajemnymi od niesieniami elementów struktury (rys. 2.6), zawierającymi uporządkowania (prze strzenny efekt w opisie geometrycznych zależności elementów, ich więzi konfigu racyjnych powierzchni i ruchów oddziaływania) oraz połączenia (funkcjonalny efekt łączenia ruchowego i spoczynkowego elementów).
STRUKTURA
elementy
funkcja
rodzaje
struktura
połączenie
funkcja
funkcjonalne własności i parametry struktury Rys. 2 . 6 . Struktura systemu „maszyna"
|
|uporządkowanie|
struktura
geometrycznomateriałowe własności i parametry struktury
2.2. Układ n a p ę d o w y m a s z y n y W technice napędowej przy współdziałaniu różnych elementów maszyn i elementów konstrukcji (zespołów) występują złożone zagadnienia przekształca nia, formowania, przekazywania i magazynowania energii. Wydaje się, że energe tyczne i przestrzenne dopasowanie silnika napędowego do wymagań funkcjo nalnych maszyny roboczej oraz lokalne dopasowanie przekazywania, ukształ towania i magazynowania energii w dowolnym miejscu struktury maszyny mają największe znaczenie dla spełnienia funkcji technicznej układu napędu. Układ napędowy maszyny spełnia następujące funkcje: (1) przenosi ruch od źródła napędu (silnika napędowego) do członów, (2) przekształca ruch (tab. 2.1) zgodnie z oznaczeniami: R-R, R-T, L-L, L - R (przy oznaczeniach R - ruch rota cyjny czyli obrotowy, T - ruch translacyjny czyli prostoliniowy) oraz (3) wzmac nia lub osłabia moment obrotowy lub siłę wywierane przez silnik napędowy, J | Rozpatrując najprostszy układ napędowy (silnik S, sprzęgło Sp, maszyna robo cza M - rys. 2.7a), można zauważyć, że najważniejsze znaczenie dla dopasowania silnika ma obciążenie maszyny roboczej, to znaczy zewnętrzne obciążenie uży teczne, wynikające z realizowanego procesu roboczego, oraz wewnętrzne obcią żenie, wynikające z dynamiki niestacjonarnego ruchu przy rozruchu czy hamowa niu, nawet bez obciążenia. Elementy S, Sp, M tego układu są połączone sztywno łub podatnie. W bardziej złożonych przypadkach układów napędowych (rys. 2.1b^e) występują przekładnie P między maszyną roboczą M a sprzęgłem Sp. Służą one do przetwarzania energii, to znaczy dopasowania wartości momentu obrotowego silnika T i prędkości obrotowej n do wymaganych parametrów T i « M maszyny roboczej, czasem przy zmianie postaci ruchu. W tych układach stosu je się różne sprzęgła przenoszące moment obrotowy między łączonymi wałami. Połączenia wałów w tych sprzęgłach mogą być wykonywane w różny sposób, zależnie od potrzeb miejscowego dopasowania przepływu energii w układzie (np. na tys. 2.7b, c, e przedstawiono połączenia sprzęgła Sp: sztywne, samonastawne, podatne oraz sterowane do łączenia lub rozłączania napędu w ruchu, lub też do nadania jednokierunkowości ruchu, zabezpieczenia przed przeciążeniem, a na tys. 2.7b - hamulec H służący do zahamowania wału lub sterowania jego prędkością). Uporządkowanie przestrzenne rozmieszczenia silnika, sprzęgła i przekładni może być współśrodkowe (tys. 2.7a, b, e) lub mimośrodowe (na, rys. 2.7c przy wielo stopniowej przekładni walcowej i na rysunku 2.7d przy przekładni pasowej). W celu miejscowego dopasowania przepływu energii stosuje się też kota zama chowe Z w układzie napędowym (tys. 2.7d, e). s
s
M
Tabela 2 . 1 . Przekładnia j a k o mechaniczny przetwornik wielkości m c h o w y c h i siłowych energii Wielkości we jściowe
Wielkości wyjściowe 7
Typ
-A<^wE, Z >) s
Schemat
Z
^
W
s
Wi slkości sta Jednakowe drogi p o łuku: ę
R-T R-T śruba-nakrętka zębnik-zębatka
R-R zębata walcowa
T y - ^ ^ - ^ ź
n
h - po zróżniczkowaniu względem czasu: C7
(p
2
z
L
co, '
=^ -co z,
l
- moce: N = N • r\ —> 7, • a>, = 7, • w, • ?7, 7 = — • 7, • n 2
x
t
xi =r -ę , i
r
2
«
czyli: y = r, - ca,
i
2
7 F =~-n '1
SR
N
= JV, ->7
x
- r•
2
'
r-
2
N
ri
2
2
X2 = r - t g a p , ,
= TV, • 7 7 , czyli
2
czyli
F =T '-„ 1
=
1
=T
)
r
v
77777
© Fi
2
r • tgarft),;
F^y^T^co.-T]
rtgar
2
,, N.n
•
t
g
a
,.= tg(a + p )
W, F, xi F x, => n = — - = — — = — - — n, f, ; f , x, 2
(=0 ^
/
v =
^2
a
T l
F , v = 7, •&), •?? , c z y h
tga•
m
»1
2
= r , •,
2
TV,
T-T klinowa
!i
2
"JL
R-T korbowo- R-T dźwigniowa -wodzikowa
-y
r
2
(-o
'
F =F .ctg(« +p); 7 =- ^ - T tg(a + p ) 2
|
Przy małych zmianach kąta ip 1 <0 = - • x, /• 7 = r-F,
2
2
2
2
x = r[(l - cosp) +
• (i - -Jl - i s i n V)]
F^rrH.
L
2
przy
A =
1
r
' . r-tg(a + p )
a
)
sprzęgło Sp
silnik napędowy S
maszyna
II
robocza M
II
sprzęgło podatne Sp2
sprzęgło włączalne Spl
b) hamulec H silnik napędowy S
J!
przekładnia P
sprzęgło włączalne Spl
c)
silnik napędowy S
d)
fT\
maszyna roboczaM
kolo zamachowe Z
maszyna robocza M
przekładnia P
przekładnia P2 kolo zamachowe Z maszyna robocza M
silnik napędowy S przekładnia PI wał napędowy WN
sprzęgło włączalne Sp
e)
silnik napędowy S
skrzynka biegów PI
=
kola
przekładnia główna P2
Rys. 2.7. Schematy układów napędowych; a) najprostszy układ silnik-sprzęglo-maszyna, b) uktad z włączalnym i podatnym sprzęgiem oraz hamulcem, c) układ z wlączalnym sprzęgiem i kotem zamachowym, d) układ z przekładniami pasową i zębatą e) układ pojazdu ze sprzęgłem wyłączalnym, wałem napędowym i przekładnią główną z mechanizmem różnicowym
Obecnie duże zainteresowanie budzą napędy hybrydowe pojazdów. Prace nad tymi napędami zmierzają w kierunku w pełni elektrycznego napędu pojazdu [6]. Przy napędzie hybrydowym energia niezbędna do jazdy jest czerpana z dwóch lub większej liczby źródeł, zasobników energii (akumulatorów) lub przetwornic ener gii zamontowanych w pojeździe. Możliwość akumulacji energii zapewnia lepsze dopasowanie silników do warunków pracy, zmniejszenie zużycia paliwa, ela styczne rozmieszczenie przestrzenne zespołów, redundancję źródeł napędu i ekologiczność pojazdu; są to główne zalety napędów hybrydowych. W układzie sze regowym napędu (rys. 2.8a) pojazd jest zawsze napędzany z jednego źródła ener gii, a drugie źródło energii uzupełnia energię pierwszego źródła. W układzie rów noległym (rys. 2.8b) dwa źródła energii mogą jednocześnie lub niezależnie napę dzać pojazd. Można przy tym wykorzystywać stały lub impulsowo zmienny stru mień energii. Energia jest przy tym magazynowana w różnego typu akumulato rach: mechanicznych (koła zamachowe), elektrochemicznych (akumulatory elek tryczne) i hydraulicznych lub pneumatycznych.
a)
akumulator koła
silnik spalinowy
generator
silnik elektryczny
Rys. 2.8. Hybrydowe napędy pojazdów w układzie szeregowym (a) lub równoległym (b)
Z analizy nierównomiemości zapotrzebowania na moc w trakcie pracy pojazdu wynikają zalety hybrydowych układów napędowych wielosilnikowych. W ukła dzie napędowym wozu bojowego PUMA [6] wspomagający silnik elektryczny SE1 pokrywa zapotrzebowanie na moc w 65% czasu pracy, przez 30% czasu pra cy potrzebna jest prawie dwukrotnie większa moc głównego silnika SSp, a pozo stałe 5% wymaga pełnej mocy pojazdu przy połączonych silnikach (rys. 2.9).
a)
przeciążenie i odzyskiwanie energii
magazynowa nie energii
-i -J
przeciążenie
silnik dodatkowy
£ «
b)
silnik główny SSp
SSp
silnik elektryczny SE1
SE1
—
SE2
silnik elektryczny SE2
Rys. 2.9. Napęd wielosilnikowy R E N K X Drive [6]; a) działanie, b) połączenie silników
W napędach pojazdów znalazły zastosowanie ogniwa paliwowe jako niekon wencjonalne źródła energii. Na rysunku 2.10 przedstawiono schemat napędu sa mochodu osobowego z ogniwami paliwowymi. W ogniwie paliwowym zachodzi reakcja wodoru (ze zbiornika ciśnieniowego) z tlenem (z powietrza dostarczonego przez sprężarkę). W wyniku tej reakcji uzyskuje się prąd niezbędny do zasilania silnika elektrycznego oraz parę wodną i ciepło w spalinach. b) zbiornik wodoru pod ciśnieniem
powietrze (tlen) pod ciśnieniem tlen z powietrza /— ogniwa paliwowe
silnik elektryczny
H 0 -< prąd elektryczny ciepło 2
H + 0 -» 2
2
paliwo wodorowe koła
Rys. 2.10. Ogniwa paliwowe jako źródła energii w napędzie samochodu; a) schemat napędu, b) zasada działania ogniwa
W napędach elektrycznych pojazdów stosuje się zintegrowane przestrzennie napędy mechatroniczne dla każdej pary kół napędowych (wózki inwalidzkie, pod nośnikowe wózki widłowe). Na rysunku 2.11 przedstawiono koncepcje, a czę ściowo i realizacje zintegrowanych układów napędowych kół pojazdów księży cowych z lat 80. XX w. [5].
Rys. 2.11. Układy napędowe kól pojazdów księżycowych [3]; a) napęd Łunochodów 1 i 2 (1 uszczelnienie czołowe, 2 - mechanizm rozłączania kola i i reduktora; 3 - trzystopniowy reduktor planetarny; 4 - piasta kół pojazdu; 5 - cierny hamulec ze sterowaniem elektromagnetycznym; 6 silnik elektryczny; 7 - dźwignie prowadzące mechanizm zawieszenia), b) napęd z różnicowym reduktorem (1 - wirnik silnika; 2 - stator silnika; 3 - reduktor; 4 - mechanizm szczotkowo-kolektorowy; 5 - dźwignie prowadzące mechanizm zawieszenia; 6 - wyłącznik prądu), c) napęd z reduktorem planetamo-falowym (1 - reduktor wbudowany do wnętrza generatora fal; 2 - sztyw ne koło zębate; 3 - podatne koło zębate; 4 - generator fal; 5 - silnik elektryczny; 6 - piasta kola pojazdu; 7 - dźwignie prowadzące mechanizmu zawieszenia), d) napęd z reduktorem planetarnym typu 3K (1 - ruchome kolo centralne; 2 - sprzęgło wieloząbkowe; 3 - nieruchome koło centralne; 4 - dwuwieńcowy satelita; 5 - silnik elektryczny; 6 - dźwignie prowadzące mechanizmu zawie szenia), e) napęd księżycowy pojazdu Apollo 16 (LVR) z hermetycznym reduktorem falowym (1 - sztywne koło zębate; 2 - podatne koło; 3 - generator przekładni falowej; 4 - silnik elektrycz ny; 5 - sworzeń), f) napęd z reduktorem planetarno-precesyjnym (1 - stożkowe kolo zębate o wewnętrznym uzębieniu; 2 - precesyjne koło stożkowe; 3 - sprzęgło podatne; 4 - korba przekład ni precesyjnej; 5 - reduktor planetarny; 6 - piasta kola pojazdu; 7 - silnik elektryczny)
Pewnym rodzajem układu napędowego jest abstrakcyjny lub konkretny jego model, będący nośnikiem informacji o własnościach badanego modelu. Model może być podstawą analizy działania układu, na przykład pod względem dyna micznym, na podstawie zbudowanego modelu matematycznego. Na rysunku 2.12 pokazano budowę mechanicznego modelu zastępczego jazdy samochodu oso bowego z mechaniczną skrzynką biegów przy standardowym napędzie z tarczo wym sprzęgłem ciernym. Układ napędowy składa się z następujących elementów: (1) silnika, (2) sprzęgła z kołem zamachowym; (3) skrzynki biegów; (4) wału przegubowego; (5) przekładni głównej z mechanizmem różnicowym; (6) kół. Na rysunku 2.12 zastosowano następujące oznaczenia: 1 - masowe momenty bez władności, T- momenty obrotowe, / - przełożenia. Silnik napędowy musi pokonać następujące opory ruchu: • opór toczenia F - f,-mg- c o s a , gdzie: mg - siła ciężkości pojazdu, f, t
współczynnik oporu toczenia, a - kąt wzdłużnego pochylenia drogi; 2
•
opór powietrza F = c, • [pv 1l\
A , gdzie: A - powierzchnia czołowa pojaz
• •
du, c - współczynnik kształtu, p - gęstość powietrza; opór wzniesienia F - mg • sina; opór bezwładności, czyli sumę sił bezwładności przeciwstawiających się przy śpieszaniu — x
w
dv F —
IM,, +
dv =
f
1 /
dv_
^
OT
red--r
dt 'cl 1 dt r dt gdzie: I M j - suma sił bezwładności mas wykonujących nich obrotowy, /• promień dynamiczny koła, Z /, - suma zredukowanych na wał sprzęgła ma sowych momentów bezwładności Z / = (1 + I ) • i • i\ + I przy oznacze niach: i - przełożenie skrzynki biegów, i - przełożenie przekładni głównej. Z warunków równowagi sił wynika, że siła napędowa F na kołach jest sumą oporów: F =F +F + F + F ; przy określonej prędkości liniowej pojazdu: b=m
d
cd
2
red
M
c
s
c
R
E
N
N
I
p
w
b
v = gdzie: /^-przełożenie całkowite ( i = i • i • i ), cu - prędkość kątowa silnika. A
Moment silnika T
M
s
G
E
(n ) wynosi zatem T M
M
sprawność całkowita, a przyśpieszenie jazdy:
m„
M
= F • [r l[i -7] .)\ gdzie: ;/ . N
(/
a
L
t
TM ( " M )
i fi
L TM
-W—
'Z.B
(nu) Element 1
TIF
podział obliczeń w modelu zastępczym
Rys. 2.12. B u d o w a mechanicznego modelu zastępczego napędu pojazdu samochodowego przy zamkniętym strumieniu sil (włączone sprzęgło)
2.3. C h a r a k t e r y s t y k i m e c h a n i c z n e silników, sprzęgieł i przekładni Takie elementy układu napędowego, jak silniki, maszyny robocze, sprzęgła i przekładnie, mają określone charakterystyki mechaniczne, co stwarza dodatkowe wymagania przy doborze tych elementów. dZa główną charakterystykę mecha-
niczną należy uznać zależność momentu obrotowego od prędkości obrotowej T(n). Na rysunku 2.13 przedstawiono charakterystyki często stosowanych silników. Wartości parametrów charakterystyki są podawane w katalogach wytwórców. W najczęściej stosowanych silnikach trójfazowych asynchronicznych (rys. 2.13c) można sterować rozruchem (silnik normalnie pracuje w układzie trójkąta podłączenia do sieci trójfazowej, przy rozruchu w układzie gwiazdy przy znacznie mniejszym zapotrzebowaniu na prąd). Sterowanie prędkością obrotową silnika może się odbywać przez zmianę częstotliwości prądu zasilającego w przemienni ku częstotliwości (prostownik-falownik-silnik), a sterowanie momentem - przez zmianę napięcia (rys. 2.13c). a)
b)
Rys. 2.13. Charakterystyki silników napędowych: a) bocznikowy silnik prądu stałego; b) szerego wy silnik prądu stałego; c) trójfazowy silnik prądu przemiennego; d) silnik spalinowy; e) turbina; T-moment obrotowy, n - prędkość obrotowa, / - p r ą d , A ' - m o c , - jednostkowe zużycie paliwa
Silniki synchroniczne prądu przemiennego z elektroniczną komutacją, zwane także bezszczotkowymi silnikami prądu stałego z magnesami stałymi wirnika, wypierają często silniki prądu stałego ze względu na możliwości uzyskania bardzo szerokiego zakresu nastawialnej prędkości obrotowej (n = 1,..., 20 000 obr/min" ) bez ograniczania wartości momentu obrotowego (rys. 2.14a). Układ jest zasilany prądem trójfazowym przez trójfazowy falownik impulsowy, sterowany regulato rami PI obrotów i prądu. Zakres obrotów zwykle wynosi od -5000 obr/min"' do +5000 obr/min" . Silniki te w całym zakresie obrotów można obciążać momentem znamionowym f„, a dorywczo - znacznie większym momentem obrotowym (3-^5) T„ dla realizacji dużych przyśpieszeń w czasie 0,3-K),5 s. W silnikach asynchronicznych prądu przemiennego z elektroniczną komutacją możliwa jest regulacja obrotów o dużej szybkości reakcji. Falownik impulsowy jest sterowany mikroprocesorowo. Charakterystyki tych silników (rys. 2.14b) 1
1
wykazują w dolnym zakresie obrotów stały moment i liniowo narastającą moc przy wzroście obrotów. W górnym zakresie obrotów maksymalny moment jest odwrotnie proporcjonalny do ich liczby. Wspomniane typy silników (rys. 2.14a, b) są wykorzystywane w układach nadzorowania napędów, w których możliwe jest nadzorowanie obciążenia silnika napędowego (moc, prąd temperatura), obciążenia układu przeniesienia napędu (moment, prędkość kątowa, zmiany w czasie mo mentu) i obciążenia układu wykonawczego (moment, prędkość).
Rys. 2.14. Charakterystyki mechaniczne silników: a) synchronicznych prądu przemiennego z komutacją elektroniczną; b) asynchronicznych prądu przemiennego z komutacją elektroniczną; c) trójfazowych asynchronicznych z przemiennikiem częstotliwości
Przykładowo można nadzorować rozruch układu napędowego. Zmiany obro tów n w czasie rozruchu (tys. 2.15) mają znaczący wpływ na moment dyna miczny T, = I • da)/dt.
Rys. 2.15. Wpływ charakterystyki rozruchu «(/) na maksymalny moment dynamiczny Tj. przy 1 liniowym; 2 - progresywnym i 3 - degresywnym narastaniu prędkości obrotowej w czasie
Na rysunku 2.16 przedstawiono charakterystyki trzech typów sprzęgieł.
100%
An/n
Rys. 2.16. Mechaniczne charakterystyki: 1 - poślizgu T(An/rc) i 2 - obciążenia sprzęgieł: a - cier nego wieloplytkowego; b - indukcyjnego; c - odśrodkowego
Na rysunku 2.17 podano charakterystyki bezstopniowych mechanicznych przekładni, w których zmiana obrotów może być technicznie dokonana przy zało żeniu stałej mocy N= const lub stałego momentu obrotowego T= const.
Rys. 2.17. Charakterystyki bezstopniowych mechanicznych przekładni pasowych i łańcuchowych przy pracy w warunkach stałej mocy (a) lub stałego momentu (b)
2.4. Literatura [1]
D i e t r i c h 1 : S y s t e m i k o n s t r u k c j a , W N T , W a r s z a w a 1978.
[2]
Konstruktionslehre.
A n t r i e b s e l e m e n t e , red. S. F r o n i u s , V E B
Verlag
Technik,
Berlin 1979. [3]
M e c h a t r o n i k a , red. D . S c h m i d : E u r o p a L e h r m i t t e l R E A , W a r s z a w a 2 0 0 2 .
[4]
N o r d m a n n R., B i r k h o f e r H.: M a s c h i n e u e l e m e n t c u n d M e c h a t r o n i k I, Sliaker Ver-
[5]
P l a n e t o h o d y , ed. S.L. K e m t i r a n , M a ś i n o s t r o e n i e , M o s k v a 1 9 8 2 .
lag, A a c h e n 2 0 0 1 . [6]
W a l e n t y n o w i c z J.: F u t u r ę of h i b r i d p r o p u l t i o n s y s t e m for c o m b a t v e h i c l e s , J o u r nal of K O N E S P o w e r t r a m a n d T r a n s p o r t , 2 0 0 6 , V o l . ( 3 , N o . 3 .
Zagadnienia kontrolne 1. Z d e f i n i u j p o j ę c i e „ m a s z y n a " . 2.
Podaj o g ó l n ą klasyfikację maszyn.
3.
W y m i e ń funkcje układu n a p ę d o w e g o maszyny.
4.
Wymień najważniejsze wielkości fizyczne stosowane w charakterystykach nicznych silników, sprzęgieł i przekładni.
mecha
3. OBCIĄŻENIA W MASZYNACH
DŹWIGNIK Z M E C H A N I Z M E M Z Ę B A T K O W Y M , Leonardo da Vinci, Codex Atlantkus, c. i 480
3.1. Z m i e n n o ś ć obciążenia Obciążenie to całość wszystkich zewnętrznych sił skupionych oraz ciągłych i (lub) momentów, które działają na ciało lub zbiór wzajemnie związanych ciał w związku z realizacją ich funkcji technicznej, wyjąwszy z tej definicji reakcje łoży skowe, zwykle nie zaliczane do obciążeń. Maszyny przenoszą różne obciążenia robocze: mechaniczne, elektryczne, cieplne, obciążenia w stanach przejściowych (rozruch, zmiana prędkości, hamo wanie), obciążenia pochodzące od sił zacisku i mas własnych elementów układu nośnego oraz obciążenia przy transporcie i ustawianiu maszyn. Ocena obciążenia w maszynach jest trudna, gdyż przy dużej złożoności układu materialnego trudne do pominięcia są efekty synergii, a eksploatacyjne obciążenia mają zazwyczaj charakter losowy. \T Obciążenia można podzielić: • ze względu na funkcję, na: (1) użyteczne, wykorzystywane do realizacji procesów technicznych; (2) szkodliwe dla pracy maszyn (dynamiczne lub lokalne) (np. miejscowe lub krawędziowe, wywołujące koncentrację obciążenia w styku); • ze względu na charakter zmian obciążenia w czasie, na: (1) stałe, spowodowane siłami ciężkości lub siłami zacisku wstępnego; (2) zmienne (stacjonarne i niestacjonarne), spowodowane nierównomierno-. ścią procesu roboczego w silniku (np. spalinowym), wewnętrzną dynamiką (rozruchu, hamowania, rewersowania, przyspieszania ogniw mechanizmów, niewyrównoważenia) oraz nierównomiernością procesu eksploatacyjnego
maszyny (np. procesu obróbczego maszyn technologicznych o ruchu prze rywanym, wibracyjnym lub uderzeniowym). Ze względu na charakter zmian w czasie, obciążenia można także podzielić na: zdeterminowane, gdy wywołujące je zjawiska w czasie i przestrzeni mają taki sam przebieg, a wartość obciążenia w dowolnej chwili można wyznaczyć, oraz losowe, gdy w wyniku wystąpienia nieprzewidzianych zjawisk zarówno największe obcią żenie, jak i czas od początku reakcji do osiągnięcia wartości maksymalnej mają charakter stochastyczny. Przykładowo, zmienność obciążenia samochodu ciężarowego wynika z obcią żenia ładunkiem (ładunek pełny lub częściowy, lub brak obciążenia), z topografii drogi (jazda z góry, pod górę i na równej nawierzchni), z jakości drogi (asfalt, droga gruntowa, piasek), szybkości jazdy z hamowaniem i przyspieszaniem oraz kwalifikacji kierowcy. Podobnie zmienność obciążenia uniwersalnej obrabiarki wynika z charakteru operacji (zgrubna, wykańczająca), z cyklu pracy (postój, roz ruch, praca, hamowanie), z charakteru produkcji (masowa, seryjna i jednostkowa) oraz z zastosowania różnych narzędzi obróbczych. Stan obciążenia można, w myśl wskazań nauki konstrukcji, optymalizować przez: (1) polepszenie równomierności rozkładu obciążeń i naprężeń; (2) zwięk szenie dróg przenoszenia obciążenia; (3) zapewnienie samoadaptacji mechani zmów i elementów konstrukcji do zmieniających się warunków obciążenia; wyrównoważenie sił statycznych i dynamicznych; (4) zmniejszenie lub łagodzenie obciążeń uderzeniowych; (5) zapewnienie minimalizacji zużycia energii przez maszynę (zmniejszenie energochłonności procesów i zmniejszenie strat energii dzięki wysokiej sprawności). 3.2. K s z t a ł t o w a n i e obciążeń d y n a m i c z n y c h • Obciążenia dynamiczne w przekładniach zębatych o zębach prostych są spoI wodowane głównie błędami podziałki i sprężystymi odkształceniami zębów, a także drganiami wymuszonymi o częstości równej wchodzeniu zębów w zazę bienie. W przekładniach zębatych o zębach skośnych obciążenia dynamiczne są spowodowane cyklicznymi błędami podziałki i zarysu, wspólnymi błędami zębni ka i koła oraz zjawiskami rezonansowymi wałów i tarcz kół. Obciążenia dyna miczne przekładni pasowych wynikają z bicia kół, drgań pasa i drgań skrętnych kół. Obciążenia dynamiczne wałów z łożyskami ślizgowymi powstają przy pracy z dużymi prędkościami obrotowymi przy małych obciążeniach lub przy małej sztywności warstwy olejowej i mimośrodowości szyjki czopa. Obciążenia dyna miczne wałów z łożyskami tocznymi są spowodowane drganiami wymuszonymi w wyniku bicia i quasi-harmonicznych drgań wywołanych zmienną sztywnością łożysk i różnym rozkładem obciążenia względem osi obciążenia. ] Zmniejszenie obciążeń jest ważnym zagadnieniem konstrukcyjnym. Obciąże nia statyczne wywołane przez siły ciężkości można obniżać przez stosowanie
bardzo wytrzymałych materiałów, gdyż masa większości elementów jest odwrot nie proporcjonalna do wytrzymałości m ~ l/(cr ), a w przypadkach elementów obliczanych z kryteriów wytrzymałości stykowej lub obciążanych głównie siłami masowymi jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu dopuszczalnych naprężeń dop
m
~
2
l/(ffdo ) P
Znacznie szersze są możliwości zmniejszenia obciążeń dynamicznych. Wymu szenia zewnętrzne można zmniejszyć, stosując silniki o stałej zależności T{n) = const i dobrych charakterystykach rozruchowych (np. silniki prądu stałe go), stosując nieprzerywalne i równomierniejsze procesy robocze (np. przejście od maszyn tłokowych do turbin i odśrodkowych pomp lub od strugarek do frezarek), stosując płynny rozruch maszyny (nadzorowany elektronicznie lub tylko z uży ciem sprzęgła ciernego). Ważne znaczenie ma wykorzystanie w konstrukcji maszyn urządzeń do zmniejszenia drgań i obciążeń dynamicznych (kół zamachowych jako akumulato rów energii, mas bezwładnych, sprzęgieł sprężystych, tłumików drgań i wibroizolatorów). Przy zastosowaniu dodatkowego koła zamachowego o masowym momencie bezwładności @ w układzie napędu maszyny roboczej (rys. 3.1) można zmniejszyć amplitudę momentu M\ = M &]/ (®\+ @ )- Podobne znaczenie mają tłumiki drgań i wibroizolatory. 2
0
2
dwa kola zamachowe
V
- r maszyna robocza
0
2
c
0 1
0, 0,5
30, 0,25
A/W
'*sf
9i
M s'mcDt 0
9
2
M = M ei/(e,+e2) 0
Rys. 3.1. Zmniejszenie amplitudy momentu w napędzie z dwoma kolami zamachowymi
Podobnie obciążenia dynamiczne można zmniejszyć przez zastosowanie do datkowych mas bezwładnych (szaboty i masywne fundamenty młotów). Zastosowanie w układzie napędu sprzęgła sprężystego (z elementem spręży stym elastomerowym o dużym tarciu wewnętrznym lub z ze stalowymi elemen tami sprężystymi o dużym tarciu konstrukcyjnym) może kilkakrotnie obniżyć amplitudę momentu obrotowego (rys. 3.2).
A/ sin((Ui') 0
maszyna
3 4 2 1/15 1/3 1/8 przy slosunku częstości wymuszenia i drgań własnych co/p o>/p
robocza
A/,= M V / ( e i + 0 2 ) przy współczynniku narastania drgań /.t=\Ą(a>/p) 2
1 co
5 1/24
1]
Rys. 3.2. Zmniejszenie amplitudy momentu w napędzie ze sprzęgłem sprężystym
3.3. L o k a l n a n i e r ó w n o n i i e r n o ś ć rozkładu obciążenia w n a p ę d a c h Nierównomierność rozkładu obciążenia w skojarzeniach elementów jest jed nym z zasadniczych zagadnień przesyłania energii. Przyczyny nierównomiemości mają naturę: (1) konstrukcyjną, związaną z odkształceniami postaciowymi i sty kowymi skojarzonych ciał stałych, (2) technologiczną związaną z niedokładno ścią wykonania i błędami montażu, oraz eksploatacyjną, związaną z tarciem i ze zużyciem. Skutkami nierównomiemości obciążenia są: zniejszenie nośności, mikropoślizgi sprężyste i korozja cierna, obniżenie trwałości zmęczeniowej i zużyciowej, lokalne zmiany sztywności stykowej, ugięcia i przemieszczenia elemen tów, naciski krawędziowe i koncentracja obciążenia, zmiany cieplne i tłumienie drgań (rys. 3.3). skutki.
przyczyny:
obniżenie nośności mikropoślizgi sprężyste i korozja cierna obniżenie trwałości zmę czeniowej i zużyciowej
merownomiernosc
lokalne zmiany stykowej sztywności, ugięcia i prze mieszczenia elementów
rozkładu obciążenia
naciski krawędziowe i koncentracja obciążenia
tarcie i zużycie
^
—»Rys. 3.3. Przyczyny i skutki nierównomieniości obciążenia
tłumienie drgań i dynamika maszyny zjawiska cieplne
Ze względu na nierównomiemość obciążenia można sformułować zasady kształtowania postaci konstrukcyjnej elementów napędów: Umowne obciążenia obliczeniowe, charakteryzujące zdatność wytworu do przenoszenia obciążeń roboczych, muszą uwzględniać synergię oddziaływania zjawisk, zmienność w czasie stanów i (lub) procesów modelowanych i niemodelowanych oraz początkową dokładność wykonania. Ukształtowanie skojarzeń elementów musi uwzględniać działanie nie tylko zewnętrznych obciążeń roboczych, lecz także wewnętrznych szkodliwych oddzia ływań dynamicznych i lokalnej koncentracji obciążenia w łańcuchu siłowym. Zamknięcie układu sił powinno odbywać się po najkrótszej drodze w celu uniknięcia zmian toru i gęstości strumienia sił. Przy przesyłaniu sił i momentów niekorzystne skutki nacisków poosiowych lub sił masowych można kompensować przez wprowadzenie elementów kompensacyjnych lub stosowanie układów syme trycznych. Ukształtowanie skojarzenia elementów powinno zapewniać przepływ strumie nia sił w maksymalnej objętości części uczestniczących w przejmowaniu obciąże nia (aspekt spiętrzenia naprężeń w objętościowej wytrzymałości części) i na mak symalnej powierzchni styku współpracujących części (aspekt nierównomiemości rozkładu obciążenia w określaniu powierzchniowej wytrzymałości stykowej). Na potrzeby analizy (rys. 3.4) zastosowania zasad wprowadzone zostanie poję cie współczynnika nierównomiemości rozkładu obciążenia K = q Jq jako sto sunku maksymalnego obciążenia jednostkowego (lub nacisków) q , miarodajne go do obliczeń wytrzymałościowych i trwałościowych, do obciążenia średniego q . Rozpatrując łożyskowany ślizgowo wał maszynowy z kołami zębatymi (rys. 3.4a), można poprawić wzdłużny rozkład obciążenia w panewce łożyska ślizgo wego przez zwiększenie sztywności giętnęj wału (mniejsze kąty y), przez prostoli niową modyfikację zarysu otworu panewki (rys. 3.4c), przez beczkowanie zarysu panewki lub nadanie samonastawności podporze (rys. 3.4e, f), lub też wyrównują ce rozkład nacisków uelastycznienie podpory (zastąpienie metalowej panewki wkładką z tworzywa sztucznego lub obudowanie łożyska tocznego elastomerem). Na rysunku 3.4b wskaźnikami 1 i II oznaczono odpowiednio początkowy stan obciążeń i stan obciążenia po dotarciu eksploatacyjnym. W wyniku powstania odkształconej linii osi ugiętego wału ulega także ugięciu z obrotem element ma szyny niesymetrycznie zamocowany względem podpór na wale. n
mi
max
m
m
b)
c)
d)
Rys. 3.4. Rozkład nierównomiemości obciążenia w łożysku ślizgowym wału maszynowego: a) stan odkształceń giętnych obciążonego wału maszynowego; b) rozkład obciążenia w niedotartej (1) i dotartej (11) panewce łożyska; c), d) rozkład obciążenia po prostoliniowej modyfikacji zarysu zgodnej z odkształceniami walu i przeciwnej względem nich; e), 0 wyrównanie rozkładu w podporach beczkowatych i samoustalających [2]
Na rysunku 3.5 przeanalizowano rozkłady obciążenia w styku liniowym kół przekładni ciernej przy założeniu dużej podatności tylko jednego z walów. Przy wzroście obciążenia zewnętrznego musi wzrosnąć siła normalna F (rys. 3.5a), a zatem i kąt yx (rys. 3.5b), co powoduje przejście z trapezowego (I) rozkładu na cisków do krawędziowego (II) trójkątnego rozkładu z rozwarciem częściowym obciążonego styku. Wyrównanie rozkładu nacisków można uzyskać przez liniową modyfikację zarysu lub beczkowanie (rys. 3.5c) jednej z rolek (rozkład parabo liczny (III) na rys. 3.5b).
Tak więc kształtowanie konstrukcji ze względu na równomierność obciążenia wymaga dostosowania sztywności stykających się elementów i związanych z nimi części. Można to uzyskać przez zwiększenie sztywności odkształcalnych elemen tów węzła konstrukcji w celu zmniejszenia nierównomiemości rozkładu obciąże nia (np. wału maszynowego łożyskowanego tocznie z kołami zębatymi lub sztyw ności poprzecznej wstępnie napiętych łożysk tocznych stożkowych) lub przez zmniejszenie sztywności elementów bezpośrednio przekazujących obciążenie w styku w miejscach koncentracji obciążenia, lub też wykorzystywać możliwości samokompensacji odkształceń konstrukcji. Zawsze jednak w analizie należy roz patrywać węzeł konstrukcyjny, a nie pojedyncze elementy. Przykładowo odkształ cenia sprężyste i luzy w węźle konstrukcyjnym przekładni walcowej, a zwłaszcza stożkowej, mogą całkowicie zmienić obraz rozkładu obciążenia w elementach węzła (rys. 3.6).
Rys. 3.6. Odkształcenia sprężyste i luzy w węźle walcowej i stożkowej przekładni zębatej: a) początkowy stan obciążenia, b) ugięcia wałów, c) odkształcenia łożysk, d) odkształcenia korpu sów przekładni, e) odkształcenia korpusów kół, f) luzy łożyskowe [2]
Podatność lokalną elementu w strefie koncentracji obciążenia można kształto wać przez przeniesienie miejsca przekazywania obciążenia, zmiany kształtu ele mentu lub jego części, wykonanie elementów z wnękami lub zmianę modułu sprę żystości jednego z elementów sprzężonej pary. Na rysunku 3.7 przedstawiono wpływ sposobu doprowadzenia momentu obrotowego na rozkład obciążenia wzdłuż linii zęba.
Rys. 3.7. Wpływ sposobu doprowadzenia momentu obrotowego do zębnika przekładni zębatej na rozkład obciążenia wzdłuż linii zęba: a) wał-zębnik; b) połączenie wpustowe; c) połączenie czo łowe; d) wał-zębnik przy znacznej różnicy wymiarów średnicowych; e) połączenie wielowypustowi; f) połączenie wtłaczane [2]
Korzystniejszy rozkład obciążenia wzdłuż linii zęba zapewniają różne sposoby (rys. 3.8) zwiększenia podatności lokalnej: nawiercenia, wytoczenia, modyfikacja boków zarysów (beczkowanie, ścięcie krawędzi).
Rys. 3.8. Zwiększenie podatności zębów w strefie czół koła zębatego [1]
3.4. Obciążenie w procesie eksploatacji W procesie obciążenia można wyróżnić pewne stadia (rys. 3.9) przy założeniu stacjonarności procesu losowego (tzn., że związki probabilistyczne nie ulegają zmianie przy przesunięciu chwili rozpoczęcia analizy) i ergodyczności procesu (tzn., że losowość procesu umożliwia wyznaczenie cech probabilistycznych na podstawie pojedynczych obserwacji).
(2) obciążenie stale
(!) rozruch
\ (3) ; obciążenie I skokowe
cc,BI
(4) drgania
&8 BT
(5) obciążenie inpulsowe
(SC
CC
Br
(kąt obrotu) okres obciążenia
Rys.
3.9. Okres obciążenia o typowych wyidealizowanych stadiach procesu eksploatacji maszy-
ny [2]
Znajomość usystematyzowanego przebiegu obciążenia eksploatacyjnego w okresie trwałości maszyny jest potrzebna już w fazie projektowania takich ele mentów konstrukcji napędów mechanicznych, jak wały, łożyska toczne czy koła zębate. Procedury obliczeniowe wyznaczania trwałości zmęczeniowej wymagają znajomości zmian amplitudy i wartości średniej obciążenia (rys. 3.10). Uszkodzenie Obciążenie Charakterystyki materiału elementu (funkcje Wóhleia)
Moment obrotowy T ROZKŁAD TRWAŁOŚCI Siła F
Moment T Hipoteza uszkodzeń
Naprężenia a j
Rys. 3.10. M e t o d y k a obliczeń trwałości zmęczeniowej
Charakterystyki zmienności rozkładu obciążenia w okresie trwałości maszyny można zbudować w układzie współrzędnych: względna liczba cykli zmian obcią żenia w = n/N; (gdzie: n - liczba cykli zmian obciążenia przy obciążeniu; F, N całkowita liczba cykli obciążenia w okresie trwałości) w funkcji względnego ob ciążenia x = F/F, odniesionego do obciążenia maksymalnego. Taka charaktery styka powstaje v/ wyniku zastosowania procedur statystycznych w badaniach do świadczalnych rozkładu obciążenia maszyn. Dla nowo projektowanej maszyny charakterystyka w(x) jest rozpatrywana jako funkcja rozkładu prawdopodobieńmK
Rys. 3.11. Charakter przebiegu rozkładu obciążenia w zależności od warunków pracy: a) średnie warunki występujące w większości intensywnie eksploatowanych maszyn specjalizowanych; b) średnie warunki, odpowiadające normalnemu rozkładowi, występujące w większości uniwersal nych maszyn; c) lekkie warunki występujące w uniwersalnych obrabiarkach do skrawania metali; cl) ciężkie warunki występujące w maszynach eksploatowanych w górach
Literatura [1]
Gnilke W.: L e b e n s d a u e r b e r e c h n i m g der M a s c h i n e n e l e m e n t e , V E B Verlag Technik, Berlin 1982.
[21
W p r o w a d z e n i e d o p r o j e k t o w a n i a (red. B . B r a n o w s k i ) , P W N , W a r s z a w a 1 9 9 8 .
Zagadnienia kontrolne 1 • Przedstaw podział obciążeń. 2. Podaj z a s a d y k s z t a ł t o w a n i a o b c i ą ż e ń d y n a m i c z n y c h . 3. Podaj z a s a d y k s z t a ł t o w a n i a n i e r ó w n o m i e m o ś c i r o z k ł a d u o b c i ą ż e n i a . 4. S c h a r a k t e r y z u j z m i a n y o b c i ą ż e n i a e k s p l o a t a c y j n e g o .
4. ELEMENTARNE ZJAWISKA I PROCESY W MASZYNACH
ŚRUBA ARCHIMEDESA Leonardo da Vinci, Codex Atlanticus, c. 1480
4.1. W p r o w a d z e n i e W użytkowaniu systemu „maszyna" w wyniku wzajemnych oddziaływań ele mentów systemu i jego otoczenia powstaje szereg zjawisk- (procesów, zmian i stanów). Proces projektowania wytworu wymaga przewidywania, dla pełnego cyklu je go życia, tych zjawisk, które mają istotny wpływ na trwałość i niezawodność urządzenia. Uwzględnienie ich jest warunkiem właściwego dobom cech konstruk cyjnych. Ze względu na mnogość, różnorodność oraz wzajemne powiązania zja wisk występujących w czasie eksploatacji maszyn niemożliwe staje się dokładne i wnikliwe rozpatrzenie każdego z osobna. Niektóre zjawiska i procesy są modelo wane (np. tarcie, pełzanie, relaksacja), inne natomiast podlegają ocenie (np. zuży cie). Procesy, czyli zjawiska zachodzące w czasie, mogą mieć znaczenie zarówno pozytywne (np. sprzężenia cierne, zmniejszanie oporów ruchu), jak i negatywne (np. zużycie, straty energii, utrata szczelności). W przypadku tych drugich dąży się do minimalizacji lub okresowej likwidacji niekorzystnych oddziaływań. Znaczna cześć zjawisk (np. naprężenie, odkształcenie) i procesów jest determinowana już na etapie klasycznych obliczeń wytrzymałościowych. Niektóre jednak w określo nych warunkach wymagają niezależnych rozważań stanowiących uzupełnienie „tradycyjnych" metod obliczeniowych. Przedstawione na rysunku 4.1 zjawiska oraz procesy zachodzą zarówno w pojedynczych elementach maszyn, jak i w ich skojarzeniach (węzłach konstrukcyjnych).
PROCESY
ZJAWISKA - z * * * , i
• tarcie • zużycie • smarowanie hydrodynamiczne:
• smarowanie elastohydrodynamiczt • pełzanie
tarcia zużycia smarowania hydrodynamicznego smarowania
Aęf^ahydrodynamicznego Piania
• relaksacja onia materiału
• zmęczenie materie
V
V
V
Rys. 4.1. Schemat blokowy systemu maszyny rozpatrywanej ze względu na ważniejsze zjawiska i procesy zachodzące w czasie eksploatacji
Znajomość stosowanych modeli skojarzeń (rys. 4.2) ma zasadnicze znaczenie w analizach obciążalności rozpatrywanych elementów maszyn. Powszechnie przyjmuje się w praktyce obliczeniowej, że współpracujące elementy są ciałami sztywnymi, a sam styk jest sztywny lub podatny (rys. 4.2). Takie podejście pro wadzi do istotnych uproszczeń zarówno w analizie przenoszenia obciążeń uśrednianie obciążenia względnego (np. naciski powierzchniowe), jak i tym sa mym w analizie wytrzymałościowej. Przyjęte uproszczenia obliczeniowe rekom pensuje się nadmiernie zawyżonymi współczynnikami bezpieczeństwa, a niedo kładności z nich wynikające stwarzają problemy z oceną niemodelowanych zja wisk i procesów (np. tarcie, zużycie) oraz właściwości statycznych i dynamicz nych (np. odkształcalność, tłumienność) [1],
Wystąpienie określonych zjawisk zależy ponadto nie tylko od sztywności i podatności samego styku, lecz również od charakteru współpracy powierzchni kontaktowych. Jeżeli współpraca nieobciążonych powierzchni zachodzi między samymi powierzchniami, to mówimy o przylegających nominalnych powierzch niach styku, natomiast gdy odbywa się za pomocą kontaktu liniowego lub punk towego, wówczas styk jest typu kontaktowego (rys. 4.3) [1]. STYK przylegający
schemat
kontaktowy
(przy 1 kłady
^ ^ ^ ^ - połączenia wpustowe - połączenia wielowypustowe - połączenia gwintowe
Rys. 4 . 3 . Typy nominalnych powierzchni styku [ 1 . 14]
- kola zębate - łożyska toczne
4.2. W a r u n k i w s p ó ł p r a c y powierzchni Współpraca powierzchni uwarunkowana jest czynnikami zewnętrznymi, na które składają się między innymi [2]: • temperatura pracy, • środowisko pracy (agresywność, promieniowanie), • rodzaj obciążenia - statyczne, dynamiczne, • rodzaj współpracy - spoczynkowa, ruchowa, • rodzaj podpory. W budowie maszyn wyróżnia się dziewięć możliwych rozwiązań podpór (tys. 4.4) [2]. pośrednie
bezpośrednie v ,
1
1 o kontakcie suchym (1)
1 1 o kontakcie za pośrednictwem ośrodka, elementu lub pola a pole magnetyczne (9) ośrodek smarny lub element pochodne pośredniczący warstwę graniczną (2) przegub sprężysty smar stały (3) elastomer (6) smarowanie hydrosta sprężyna (7) tyczne (4) smarowanie elementy toczne (8) hydrodynamiczne (5)
Rys. 4 . 4 . Podstawowe rodzaje podpór
Problem tribologiczny [2, 9] jest zagadnieniem dotyczącym jednoczesnego styku oraz ruchu względnego elementów. 4.3. Z j a w i s k o i procesy tarcia Zjawisko tarcia jest jednym z najpowszechniejszych w przyrodzie. Tarcie defi niuje się jako opory ruchu powstające w wyniku względnego przemieszczania (przesuwanie, toczenie) dwóch ciał stałych [9]. Skutki tarcia, a tym samym zna czenie procesów tarcia w maszynach, mogą być zarówno pozytywne, jak i nega tywne. W pozytywnym znaczeniu tarcie wykorzystywane jest w sprzężeniach ciernych (np. połączenia spoczynkowe, połączenia ruchowe, hamulce). Negatyw nym skutkiem procesu tarcia są straty energii. Podstawowy podział tarcia przed stawiono na rys. 4.5, a poszczególne rodzaje tarcia krótko scharakteryzowano w tabeli 4.1.
kryterium podziału:
1
rodzaj rud ni
[
TARCIE
v
y
ślizgowe
stan ruchu
^
^
statyczne
i toczne
kinetyczne
^
wewnętrzne ^
miejsce /
i
materiał
styk
J
^
t: ciał Sstałych
•
^
/
i w ciałach stałych • i
N
w płynach
i
Rys. 4.5. Podział tarcia [4, 9, 18]
Dynamiczne i energetyczne skutki tarcia opisywane są za pomocą podstawo wych miar, takich jak: • siła tarcia F [ NJ ; t
• moment tarcia M, [N • m ] ; « współczynnik tarcia fi - FJ F ,(F„ [N] - siła normalna); n
• ciepło tarcia q [ J ] ; t
• temperatura tarcia T [K]. t
Tabela 4 . 1 . Charakterystyka rodzajów tarcia [9, 18] Rodzaj tarcia Tarcie ślizgowe
Tarcie toczne Tarcie statyczne Tarcie kinetyczne (ruchowe) Tarcie zewnętrzne Tarcie wewnętrzne Tarcie płynne Tarcie graniczne
Warunki (miejsce) występowania
Przyczyny powstawania
podczas przesuwania względem siebie ciał stałych będących w ruchu: - postępowym, - postępowo-zwrotnym, - obrotowym, - obrotowo-zwrotnym
- zrywanie wiązań adhezji, - plastyczne deformacje nierówności, - bruzdowanie powierzchni materiału o mniejszej twardości, - pękanie szczytów nierówności materia (u o większej twardości, zróżnicowany udział, zależny od warun ków współpracy powierzchni
podczas toczenia się ciał
odkształcenia plastyczne powstające pod powierzchnią kontaktu patrz tarcie ślizgowe lub toczne
podczas przejścia ze stanu spoczynku w ruch lub odwrotnie podczas ruchu (na ogól jest mniejsze od statycznego)
patrz tarcie ślizgowe lub toczne
pomiędzy niesmarowanymi (tarcie suche) patrz tarcie ślizgowe lub toczne powierzchniami ciał w ciałach stałych lub płynach - odkształcanie ciał stałych, w warstwie płynu całkowicie oddzielają cego współpracujące powierzchnie między warstwami środka smarnego adsorbowanymi na powierzchniach cial stałych
- lepkość płynów patrz tarcie wewnętrzne w płynach jak dla tarcia ślizgowego i tocznego z wyeliminowanym udziałem efektów bezpośredniego styku; warstwa graniczna ma grubość od kilku do kilkudziesięciu molekuł środka smarnego oraz odmienne właściwości; stanowi ostatnie zabezpie czenie przed bezpośrednim stykiem
4.4. Zjawiska s m a r o w a n i a h y d r o d y n a m i c z n e g o ( H D ) i elastohydrodynamicznego (EHD) Jedynym sposobem zmniejszenia tarcia oraz zużycia współpracujących ele mentów jest smarowanie. Najbardziej pożądane ze względu na brak bezpośrednie go styku jest zapewnienie w węźle mchowym tarcia płynnego. Nieuniknione są jednak sytuacje, gdy ciągły film smarny nie jest jeszcze wytworzony (rozruch) lub zostaje przerwany (przeciążenia, zatrzymanie); niezbędne jest wtedy zabezpiecze nie współpracujących powierzchni przed nadmiernym zużyciem lub efektem za tarcia [9,18]. Zapewnienie tarcia płynnego nie zawsze jest możliwe. W wielu przypadkach uniemożliwia je określona konstrukcja węzła. Z reguły w takich sytuacjach ochro-
nę zapewniają warstwy graniczne. W smarowanych węzłach ruchowych zapew nienie warunków tarcia płynnego jest wynikiem zjawisk smarowania hydrodyna micznego (HD) i elastohydrodynamicznego (EHD). Występowanie tych zjawisk zależy m.in. od charakteru współpracy węzła ruchowego (tab. 4.2) [18]. Tabela 4.2. Podział węzłów ruchowych ze względu na charakter współpracy [18] Smarowanie
Węzeł
Węzły ruchowe
HD ślizgowy (z wyjątkiem bardzo silnie obciążonych)
EHD toczny
O pary ślizgowe, np. prowadnice, łożyska ślizgowe
toczno-ślizgowy
\Ą pary toczne, np. prowadnice toczne, łożyska toczne
pary ślizgowo-toczne, np. współpracujące powierzchnie zębów przekładni zębatych
Smarowanie HD jest wynikiem wytworzenia wyporu hydrodynamicznego w szczelinie smarowej, a smarowanie EHD jest charakterystyczne dla obciążo nych smarowanych styków przylegających (por. tys. 4.3), może jednak występo wać w silnie obciążonych parach ślizgowych [18]. W tabeli 4.3 scharakteryzowa no opisywane zjawiska.
Tabela 4 . 3 . Charakterystyka smarowania H D i EHD [ I 8 | Schemat
v>0 7 Q
X
E
Q
X
Charakterystyka Oddzielenie współpracujących elementów następuje w wyniku ciśnienia oleju wywołanego jego przepływem w klinowej szczelinie po przekroczeniu pewnej prędkości krytycznej. Przyjmuje się, że współpracują ce elementy są ciałami sztyw nymi o styku sztywnym (por. rys. 4.2). Warunki wywołania wyporu hydrodynamicznego: - klinowo zwężająca się szcze lina; - ruch względny elementów węzła; - odpowiednia lepkość ośrod ka smarnego lub gazu (smarowanie gazodynamiczne) Oddzielenie współpracujących elementów następuje w wyniku doprowadzenia oleju o lepkości i] między współpracujące po wierzchnie odkształcone sprę żyście po przekroczeniu pewnej prędkości krytycznej. Przyjmuje się, że współpracują ce elementy są ciałami odkszlalcalnymi o styku sztyw nym (por. rys. 4.2). Powstaje równoległościenna szczelina z charakterystycznym przewężeniem na końcu. Olej znajdujący się w strefie styku podlega bardzo dużym naciskom i zwiększa swoją lepkość ok. 10 000 razy. Za chowując się jak ciało stale, tworzy warstwę o tak znacznej nośności, że odkształca ona sprężyście elementy stalowe.
Grubość filmu olejowego
rj-co
1'un ~ gdzie: n - lepkość dynamiczna N - obciążenie łożyska (o - prędkość kątowa mchu obrotowego
Kun =c-{v-vS)" x/3*
! R
n
•a
X
• p"
gdzie: c - stalą określona między innymi przez właściwości materiału konstrukcyjnego; v - sumaryczna prędkość poślizgu; p„ - zredukowany promień krzywizny (model styku dwóch walców); /) - naprężenie stykowe; ef*e - wykładniki potęgowe wynikające z rozwiązań teoretycznych różnych auto rów. L
4
4.5. Procesy z u ż y w a n i a Zużywanie to proces zmian zachodzący w warstwie wierzchniej ciała stałego, prowadzący do ubytku masy lub do trwałego odkształcenia powierzchni. Skut kiem procesu zużywania jest zużycie, które polega na zmianie wymiarów linio wych, zmianie objętości lub masy elementów maszyn [9, 18]. W tabeli 4.4 przedstawiono ogólną klasyfikację procesów zużywania wraz z ich charakterystyką, a w tabeli 4.5 opisano rodzaje procesów zużywania. Tabela 4.4. Klasyfikacja i charakterystyka procesów zużywania [8, 9, 18] Wywołane tarciem. Charakter mechaniczno-fizyczno-chemiczny. Mechaniczne - mikroskrawanie występami nierówności lub luźnym ścierniwem, zmę czenie warstwy wierzchniej, trwale odkształcenia. Fizyczne - głównie adhezja trących się ciał. Chemiczne - reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy trącymi się materiałami a ośrodkiern, w którym zachodzą procesy zużywania. Korozja - pod wpływem czynników chemicznych i elektrochemicznych. Erozja - wskutek oddziaływania przepływających płynów (cieczy, gazów) na po wierzchnie ciał stałych (odpowiednio hydroerozja, erozja gazowa). Kawitacja - uderzenia cząstek cieczy o ścianki wskutek tworzenia się i rozpadu pęche rzyków gazowych; h - grubość oddzielonej lub odkształconej warstwy, V - szybkość zużywania z
Wyróżnia się trzy okresy: - wstępne docieranie (V maleje), - normalna eksploatacja (V = const), - zużycie awaryjne (V, rośnie). l
t
Brak stabilizacji zużycia po docieraniu (powodem może być obecność produktów zużycia w oleju), np. 2, 3 - typowy rozkład dla elementów robo czych maszyn do robót ziemnych, np. elementów poddawanych cyklicznym naprężeniom stykowym (przez pewien czas pracują prawie bez zużycia, a.po tym okresie następuje zużywanie o znacznej intensywności. ^ _ Mała intensywność zużywania. D w a rodzaje zużywania: utleniające (usuwanie i odtwarzanie warstewek tlenków na powierzchniach), chemiczno-mechaniczne zużywanie ścierne (zachodzi tylko w obrębie warstwy tlenkowej). Intensywne niszczenie powierzchni. Rodzaje zużywania: - ścierne, adhezyjne, cieplne, -
fretting.
Tabela 4.5. Rodzaje procesów zużywania tribologicznego i ich charakterystyka [18]
Rodzaj zużycia Utleniające, wodorowe, ścierne
Ścierne
Zmęczeniowe: łuszczenie, wykruszanie. Odkształceniowe
Adhezyjne
Cieplne
Adhezyjno-utleniające (frelting)
Charakter i przyczyny zużycia chemiczno-mechaniczny: mechaniczne niszczenie chemicznie wytworzo nych struktur powierzchniowych mechaniczny: mikroskrawanie mechaniczny: zmęczenie warstwy wierzchniej wskutek cyklicznych obciążeń mechaniczny: odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej fizyczno-mecbaniczny: sczepianie, zrastanie i mechaniczne niszcze nie mikropołączeń (na zimno) fizyczno-mechani czny: jw., z większą intensyw nością wskutek podgrza nia warstwy wierzchniej fizyczno-chemiczno-mechaniczny: adhezja, utlenianie i mikroskrawanie produktami zużycia
Rodzaj ruchu
Rodzaj tarcia
Uwagi
ślizgowy (toczny)
suche, mieszane
w określonych warunkach zuży cie normalne o malej intensywności
ślizgowy
suche
z reguły duża intensywność zużycia
toczny lub toczny z poślizgiem
suche, mieszane, płynne
niszczenie do uszkodzenia
ślizgowo-toczny
suche, mieszane, (płynne)
uszkodzenie
ślizgowy
suche
uszkodzenie
ślizgowy
suche
uszkodzenie
ślizgowy oscylacyjny suche, o bardzo malej mieszane amplitudzie
uszkodzenie
Zużycie opisuje się za pomocą miar bezwzględnych i względnych. Typowe miary bezwzględne to: V-objętość oddzielonego materiału; m - masa oddzielonego materiału; h - grubość oddzielonej lub odkształconej warstwy. W przypadku miar względnych zużycie odnoszone jest do czasu lub drogi tar cia: - v = Ahl Al - szybkość zużywania (zużycie na jednostkę czasu); z
- l
h
= Ah/s - intensywność zużywania (zużycie na jednostkę drogi tarcia).
4.6.
T e c h n i c z n i e w a ż n e zjawiska teologiczne
Wiele elementów maszyn pracuje pod długotrwałym obciążeniem. Zjawiska występujące w takich sytuacjach, szczególnie podczas pracy w podwyższonej temperaturze, mogą mieć istotny wpływ na poprawne działania urządzeń. Długo trwałe ustalone obciążenia wywołują powstanie odkształceń niesprężystych, zmieniających swoją wartość w czasie. Badaniem tego typu odkształceń zajmuje się reologią [5, 16]. Technicznie ważnymi zjawiskami reologicznymi są: • pełzanie - powolne odkształcanie się ciał pod wpływem długotrwałych obcią żeń; • relaksacja - zmniejszanie się naprężeń w elementach poddanych długotrwa łym odkształceniom o stałej wartości; jest to zjawisko towarzyszące pełzaniu. Typowe przebiegi zmian wielkości charakterystycznych dla tego zjawiska po kazano w tabeli 4.6. Tabela 4.6. Zjawiska pełzania i relaksacji [5, 10, 16] Parametry wytrzymałościowe Zjawisko
Typowe przebiegi zadane
Główne: pełzanie
P = const lub cr= const T = const
Towarzyszące: relaksacja
e = const T - const
mierzone s T=const
/
t a' y
T=const
t
W procesie pełzania można wyróżnić trzy okresy (rys. 4.6b). Po przyłożeniu pełnego obciążenia rozpoczyna się okres pełzania nieustalonego, inaczej nazywa nego pierwszorzędowym. W tym okresie prędkość odkształcania de/dl maleje do wartości w punkcie A (rys. 4.6b). Między punktami A i B zawarty jest okres pełza nia ustalonego lub drugorzędowego. Charakteryzuje się on stałą prędkością od kształcania de/dt = const. Po osiągnięciu przez odkształcenie pewnej wartości
w punkcie B rozpoczyna się okres pełzania trzeciorzędowy, bezpośrednio poprze dzający zniszczenie. W tym okresie prędkość odkształcania narasta. Cechą charak terystyczną pełzania jest zmniejszenie odkształcenia po odciążeniu (linia kreskowa na rys. 4.6a). Stąd stwierdzenie, że w zjawisku pełzania występują zarówno od kształcenia trwałe, jak i sprężyste. Efekt trwały jest analogiczny do płynięcia pla stycznego przy większych prędkościach odkształcania (np. obróbka plastyczna) [3,5,16]. a)
Wstępne odkształcenie plastyczne Wstępne odkształcenie sprężyste
przebieg krzywej po odciążeniu
Rys. 4.6. Krzywe pełzania [3, 5, 16]: a) schematyczna krzywa pełzania; b) charakterystyczne krzywe pełzania w dla stałej temperatury i różnych obciążeń (1, II, III - okresy pełzania)
Opis analityczny zjawisk Teologicznych powstał w ramach teorii pełzania. Opis równania stanu w ogólnej postaci określany jest następującą zależnością: f{e,er,t,T)
=Q
(4.1)
gdzie: t - czas, T- temperatura. W analizie zagadnień reologicznych korzysta się z wielu aproksymacji ogólne go prawa pełzania (4.1) oraz modeli mechanicznych ośrodków lepkosprężystych i lepkoplastycznych. Opis zależności wykorzystywanych w analizie pełzania wy kracza poza ramy niniejszego rozdziału i został wyczerpująco przedstawiony w literaturze związanej z omawianym zagadnieniem. Zastosowanie teorii pełzania do analizy problemów inżynierskich ograniczymy do stanu stałego jednoosiowego naprężenia i podstawowych, najczęściej wykorzystywanych zależności empirycz nych. Aproksymacja ogólnego prawa pełzania polega na separacji wpływu naprę żenia, czasu oraz temperatury na odkształcenie (prędkość) pełzania [5, 16]: £ =f,(
gdzie: e = e-e ; c
r
(4.2)
e - odkształcenie pełzania; s - odkształcenie całkowite; c
e - odkształcenie wstępne (dla t = 0). Dla ustalonej temperatury można mówić o podobieństwie krzywych pełzania [15]. e
W takim podejściu określono szereg funkcji wykorzystywanych w prawach pełzania, które ogólnie można podzielić na grupy wynikające z aproksymacji: • funkcje naprężenia e = f (a); c
•
x
funkcje czasu e = f c
(();
2
» funkcje temperatury e
c
t
= / (r); 3
funkcje naprężenia i czasu £ = / , (cr)/ (t) • c
2
W zagadnieniach inżynierskich często wykorzystuje się prawo pełzania ujęte zależnościami z pierwszej grupy opisującymi okres pełzania ustalonego, np. [5. 16]: e - ker", 3 < n < 7 - prawo pełzania ustalonego Nortona; (4.3) e = — + kcr" - prawo pełzania ustalonego Hooke'a-Nortona. (4.4) E Wykorzystanie powyższych zależności w inżynierskich zagadnieniach doty czących pełzania i relaksacji ilustrują poniższe przykłady. ZADANIE 4.1. W tabeli 4.7 podano dane dotyczące pełzania stali Ni-Cr-Mo w tempe raturze 400°C [17]. Sporządź wykresy pełzania £ = e(t). Wykorzystując prawo pełza nia ustalonego Nortona, wyznacz prędkości pełzania £ i- £ dla naprężeń rj = 70 MPa i <7 = 95 MPa oraz odpowiednie odkształcenia natychmiastowe, wie dząc, że zależność log a = /(log e ) (e - odkształcenie natychmiastowe) jest liniowa [16, 17]. Określ końcowe długości l j i l n pręta o długości początkowej / = 0,6 m po upływie 87 600 h (10 lat) pod działaniem naprężeń <7 i er,. 2
3
4
4
0
0
p
p
3
Tabela 4.7. Dane z prób pełzania stali N i - C r - M o [17]
Czas [h] 0 1000 2000 4000 6000 8000 10 000
tr, = 115 MPa
<7
2
= 142,5 MPa
odkształcenie całkowite e 0,00076 0,00090 0,00183 0,00310 0,00231 0,00410 0,00322 0.00610 0,00810 0,00415 0,00507 0,01023 0,00613 -
Rozwiązanie: Na podstawie wykresu (rys. 4.7) metodą regresji liniowej wyznaczamy prędkości pełzania oraz odkształcenia natychmiastowe: 6
1
£, = 0,47-10" b / , 6
£ 1
£ = 1,02-10" h " , 2
0l
e
02
=0,00134 = 0,00206
(4.5) (4.6)
a = 142,5 MPa 2
0,002 «
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Rys. 4 . 7 . Wykresy pełzania stali stopowej N i - C r - M o
Stałe w p r a w i e N o r t o n a obliczamy, wykorzystując p o d o b i e ń s t w o krzywych: ln
£
2
ka" £ = kcjj i-, =
: 3,614
(4.7)
2
l n T *
•10 » , - »
..Jn
-I
-
k = 9 , 6 4 8 • 10""" A ' " -nr"
-s
Poszukiwane prędkości odkształcania
e^ka'1
= 0 , 6 5 5 - 1 0 " ' ° s"
(4.8)
1
O d k s z t a ł c e n i a n a t y c h m i a s t o w e m o ż n a w y z n a c z y ć , korzystając z r ó w n a n i a prostej prze c h o d z ą c e j p r z e z p u n k t y o w s p ó ł r z ę d n y c h o d p o w i e d n i o l o g e i , logo-| i log 2, 0
0
^oga
2
w postaci:
c ,
logl g
=
0
°t
-±--log iog£a 4
(4.9) f
oi
01
Wartości szukanych odkształceń natychmiastowych:
Długości pręta l
pi
i
e
ai
= 0,000497
f
04
= 0,000916
obliczamy z zależności:
(4.10)
/,„ = 0 , 6 0 4 4 m , l
p4
ZADANIE
W
połączeniu
kołnierzowym
rurociągu
o
(4.11)
średnicy
wewnętrznej
D = 0,25 m , p r a c u j ą c e g o p o d c i ś n i e n i e m p = 0,9 M P a w p o d w y ż s z o n e j
temperaturze,
jest i =
4.2.
= 0 , 6 1 2 9 ni
3
12 ś r u b o p o w i e r z c h n i p r z e k r o j u A = 0 , 2 9 ' 1 0 " . P r z y z a ł o ż e n i u c z a s u
8760 h w y z n a c z naprężenia wstępne w śrubach gwarantujące zachowanie Załóż, że materiał podlega p r a w u pełzania ustalonego
Hooke'a-Nortona.
pracy
szczelności. Obliczenia
p r z e p r o w a d ź dla d w ó c h w a r t o ś c i t e m p e r a t u r y p r a c y /, = 6 5 0 ° C i t = 7 0 0 ° C , d l a k t ó r y c h 2
d a n e m a t e r i a ł o w e p o d a n o w tabeli 4 . 8 [ 1 3 ] . P o z o s t a ł e e l e m e n t y p r z y j m i j j a k o i d e a l n i e sztywne. Sporządź wykresy relaksacji.
Tabela 4.8. Stale materiałowe dla równania Hooke'a-Nortona [13] E [MPa] 145 000 140 000
Temperatura [°C] 650 700
n 4,0 3,5
A'[N-"-m-"-s'] 3,25-10" 2,28-10" " 41
3
R o z w i ą z a n i e : R ó w n a n i e k r z y w e j r e l a k s a c j i u z y s k u j e się p r z e z c a ł k o w a n i e r ó w n a n i a f i z y c z n e g o ( 4 . 4 ) w w a r u n k a c h s t a ł e g o o d k s z t a ł c e n i a c = 0: 1 j - L x / c r = -Ek
(4. 12)
jdi
gdzie: <7, - n a p r ę ż e n i e p o c z a s i e / ( k o ń c o w e ) , ( T - n a p r ę ż e n i e w s t ę p n e . 0
P o s z u k i w a n a z a l e ż n o ś ć n a n a p r ę ż e n i e w s t ę p n e j a k o funkcję c z a s u p r a c y m a p o s t a ć :
a =[a+-"-(n-\)Ekt]±i v
Jeżeli p r z y j m i e się w p o w y ż s z y m w z o r z e n a p r ę ż e n i e k o ń c o w e z a p e w n i a j ą c e
4
( - 13) zacho
wanie s z c z e l n o ś c i 2
pnD
= 12,695 MPa
( 4 . 14)
4/1/
to m o ż n a w y z n a c z y ć w a r t o ś c i n a p r ę ż e ń w s t ę p n y c h dla p o s z c z e g ó l n y c h w a r t o ś c i t e m p e ratury. Dla t e m p e r a t u r y 6 5 0 ° C o t r z y m u j e m y : a
_
= 2 8 , 5 6 MPa
i ą I
Natomiast w t e m p e r a t u r z e 7 0 0 ° C n i e d a się z a c h o w a ć s z c z e l n o ś c i p r z e z 8 7 6 0 h. W t y m przypadku m o ż n a o b l i c z y ć c z a s k r y t y c z n y /
ze względu na utratę szczelności, zakłada
kl
jąc m a k s y m a l n e n a p r ę ż e n i e w s t ę p n e ś r u b n a p o z i o m i e g r a n i c y p l a s t y c z n o ś c i : a
=o 0(«IO"C)
, = 1 2 5 MPa , /,,. = 2,175Ms = 604,201 li /''
11
czyli n i e c o w i ę c e j n i ż 2 5 d n i . P r z y j m o w a n i e w i ę k s z y c h n a p r ę ż e ń w s t ę p n y c h nieznacznie z w i ę k s z a c z a s p r a c y p o ł ą c z e n i a .
iąI M H -
L
U
)
bardzo
W y k r e s y relaksacji uzyskuje się po przekształceniu zależności (4.13) d o postaci:
(4.17)
cr,4a-^ (n^)Ek )-^ )+
gdzie: < T
a, IMpa]
0 ( l e m p )
t
- w y z n a c z o n e naprężenia wstępne w zadanej temperaturze.
1 2 0
100
20 4T = 650°C
Pr=B760ft
JT = 7 0 0 ° C 0
'kr 1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
t IM
Rys. 4.8. Wykresy relaksacji naprężeń w śrubach połączenia kołnierzowego
4.7. Z j a w i s k a z m ę c z e n i a materiału Obciążenia działające w maszynach z reguły zmieniają się w czasie. Tego ro dzaju obciążenia oraz odpowiadające im naprężenia nazywa się odpowiednio ob ciążeniami i naprężeniami zmiennymi (patrz rozdz. 3). Działanie naprężeń zmien nych wywołuje w materiale szereg powiązanych zjawisk o złożonym charakterze, nazywanych zjawiskami zmęczeniowymi. Krótką charakterystykę tych zjawisk przedstawiono w tabeli 4.9.
Tabela 4.9. Zjawiska zmęczeniowe w metalach [2]
etapy Powstanie i rozwój lokalnych odkształceń plastycznych oraz przejściowych umocnień i osła bień
Zjawiska zmęczeniowe - przebieg oznaki i charakterystyka Pasma poślizgów składające się z linii poślizgów, w których budowie występują:
Mikropęknięcia
Rozwój i łączenie pęknięć aż do całkowitej dekohezji
- ekstruzje - wyciśnięcia płatków metali o grubości 0,1-*T urn nad swobodną powierzchnię na wy skość ok. 1 u m , - intruzje - wciśnięcia tych pasm, - bliźniakowanie - inna postać odkształcenia plastycznego, zachodząca niezależnie od poślizgów, przede wszystkim w metalach o budowie heksagonalnej. Powstają: - w pasmach poślizgów (inicjacja pęknięć właściwa dla za kresu ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej i poniżej granicy zmęczenia), - w bliźniakach, - na granicach bloków i ziaren (duże amplitudy naprężenia, podwyższona temperatura), - we wtrąceniach i wydzieleniach wtórnych. Możliwe źródła pęknięć: - powierzchnia lub warstwa wierzchnia, • - powierzchniowe i podpowierzchniowe ogniska pęknięć wady procesów wytwórczych i technologicznych, - granica warstwy umocnionej (powierzchniową obróbką cieplną) i rdzenia. Bardzo złożony przebieg. Umowny podział rozwoju pęknięć na dwa stadia: - pękanie przebiega w płaszczyznach najlepiej zorientowa nych do kierunku największych naprężeń stycznych na głębo kość jednego lub kilku ziaren, - pękanie rozwija się makroskopowo w płaszczyźnie normal nej do największych wydłużeń.
Powyższa krótka charakterystyka daje ogólny pogląd na złożoność zjawisk zmęczeniowych. Istota zjawiska zmęczenia materiału do chwili obecnej nie zosta ła dostatecznie wyjaśniona. Wynika stąd liczność i niedoskonałość stosowanych metod obliczeniowych opartych wyłącznie na empirycznych, uogólnieniach. Sze rokie zastosowanie zyskał sposób oparty na wykorzystaniu współczynników [11]. Różnorodne metody obliczeniowe charakteryzują się odmiennym sposobem defi niowania wprowadzanych współczynników, uwzględnianiem dodatkowych cech stanu naprężenia (np. gradient wzrostu naprężeń w strefie karbu), uwzględnianiem elementów probabilistyki [2, 7, 12]. W metodach obliczeniowych, analogicznie jak w metodach statycznych, za kłada się spełnienie ogólnego wananku wytrzymałościowego:
M_
(4.18)
A-= —
x.
gdzie: Z - wytrzymałość zmęczeniowa, odpowiadająca danym cyklom napręże nia, x - zmęczeniowy współczynnik bezpieczeństwa. z
Określanie wytrzymałości zmęczeniowej Punktem wyjścia jest wykres Wóhlera (historycznie najstarszy). Wytrzymało ścią zmęczeniową lub granicą zmęczenia Z jest wartość największego naprężenia normalnego C W , dla którego element (próbka) nie ulegnie zniszczeniu po prze pracowaniu umownej liczby cykli N (rys. 4.9) [2]. g
logN wytrzymałość zmęczeniowa ograniczona
wytrzymałość zmęczeniowa nieograniczona
wytrzymałość zmęczeniowa wytrzymałość statyczna i quasi-statyczna
Rys. 4.9. Schematyczny wykres zmęczeniowy Wohlera w układzie logcr„, \ogN(a
m
= const)
• • • •
Umowna liczba cykli zależy od materiału oraz przeznaczenia elementów: 10 • 10' - stal, stopy żelaza, 100 • 10" - stopy metali nieżelaznych, 5-10 i 20-10 - próbki porównawcze, 2 • 10 - elementy konstrukcyjne. 6
6
6
Wykres Wóhlera wyznacza się dla cykli: wahadłowych (symetrycznych) -Z - wytrzymałość zmęczeniowa obustronna, odzerowo tętniących - Zj - wytrzymałość zmęczeniowa jednostronna: Dla niesymetrycznych cykli obciążeń w celu wyznaczenia wytrzymałości zmę czeniowej korzysta się z wykresu Smitha. Dla materiałów plastycznych, dla któ rych można przyjąć, że R,„ = R , wystarczający jest uproszczony wykres Smitha. Sposób budowy i korzystania z wykresu przedstawiono w tabeli 4.10. • •
0
c
Tabela 4.10. Uproszczony wykres Smitha - b u d o w a i zastosowanie [2, 7, 12]
Wyznaczenie wytrzymałości zmęczeniowej
Sposób b u d o w y wykresu OA = Z„, punkt B - współrzędne, 1/2 Z Zj punkt C - przecięcie odcinka AB poziomą prostą odpowiadającą^,, punkt D - przecięcie prostych - poziomej odpo wiadającej R, i poprowadzonej pod kątem 45° do osi Oa . jt
m
odpowiadającej cyklowi zmian naprężeń Dla punktu i° a
Ia
m
= const - wartość wytrzymałości zmęczeniowej
odpowiada punktowi /, (Z = Z,), O
= c o n s t - wartość wytrzymałości zmęczeniowej
odpowiada punktowi 1 (Z = Z ) , Dia punktu P' w obu przypadkach Z = /?„ (punkty I I I I , ) . 2
2
Zmęczeniowy współczynnik bezpieczeństwa wyznacza się z zależności: x = pl-y-5 (4. 20) z
gdzie: j3 - współczynnik spiętrzenia naprężeń, y - współczynnik wielkości przedmiotu, S-rzeczy wisty współczynnik bezpieczeństwa. Poszczególne współczynniki zostały opisane w tabeli 4.11. W tabeli 4.12 opi sano składowe współczynnika spiętrzenia naprężeń oraz sposób ich wyznaczania. ZADANIE 4.3. Wyznacz przebieg naprężeń dopuszczalnych w zależności od stosunku wymiarów średnic D/d przy obustronnym zginaniu walka z odsądzeniem (tys. 4.10). Wałek wykonano ze stali 35SG ulepszonej cieplnie (Z = 380 MPa, R,. = 900 MPa). Do obliczeń przyjmij następujące założenia konstrukcyjne: d= 50 mm, p/d = 0,1, 8 = 1,5. ga
•
\( Rys. 4.10. Watek z odsądzeniem obustronnie zginany
Rozwiązanie:
A = ' + '?* •(«* - i) gdzie: a - wartości wyznaczone z wykresu [7, 12] dla przyjętych wartości D/d (kol. 1 w tab. 4.13) i p/d = 0,1; k
1/t - wartość przyjęta z wykresu [7, 12] dla Z = 380 MPa; y- wartości wyznaczone z wykresu [7, 12] dla Z „ = 380 MPa, wyznaczonych wartości cą (kol. 2 w tab. 4.13) i d= 50 mm; /?,, - wartość odczytana z wykresu [7, 12] dla /?,.= 900 MPa i obróbki zwykłym tocze niem. Wartości wymaganych współczynników i naprężeń dopuszczalnych zestawiono w tabeli 4.13.Przebieg zmiany naprężeń dopuszczalnych w funkcji D/d przedstawiono na rys. 4.11. g 0
g
Tabela 4 . 1 1 . Współczynniki determinujące zmęczeniowy współczynnik bezpieczeństwa Definicja
Uwagi i sposób wyznaczania /? = A + / ? „ - !
z ,, gdzie: P , P - patrz tab. 4.11. gdzie: Z - wytrzymałość zmęczeniowa P próbki laboratoryjnej gładkiej polerowanej o średnicy 7+10 m m ; Z - wytrzymałość zmęczeniowa próbki z karbem o danym stanie powierzchni). Z Ustalany doświadczalnie: dla stalowych: t
p
k
kp
gdzie: Z,/- wytrzymałość zmęczeniowa y próbki o dowolnej średnicy.
r
= f(Z,a ,A) t
lub
elementów y =
f{A)
gdzie: a - patrz tab. 4 Al, A- pole przekro k
ju poprzecznego, dla elementów staliwnych, żeliwnych i ze stopów lekkich: y =
/(A)-
Wartości odczytywane z wykresów [2, 7, 12]. Dla cykli symetrycznych: 0-Y-o.
M
'3 a
Dla cykli niesymetrycznych:
>> N U
o~ = const m
<> D, C/J
dla punktu P (por. tabela 9): fl-y- cr„
&
M-fh dla punktu P' (por. tab. 4.9): 6
o = —a, —— = const a m
•
dla punktu P (por. tab. 4.9): p-Z-ff,, +cr„, Z„ «
f
2 Z
«
,1
dia punktu />' (por. tab. 4.9): p-y-
Naprężenia o;„ są traktowane jako składowa statyczna [7], wobec czego współczynniki /? i ynie mają wpływu na jej wartość. Obliczenia zmęczeniowe często są sprowa dzane do sprawdzania współczynnika 5. ponieważ pozostałe współczynniki można dokładnie wyznaczyć, znając cechy geome tryczne elementu. Wartości przyjmuje się w przedziale 1,3+2,5 w sposób następujący [7]: S = 1,3+1,5 - znany rozkład naprężeń i charakterystyka zmęczeniowa, bardzo wysoka technologia wykonania i kontroli, S= 1,5+1,7 - dla zwykłej dokładności obliczeń lub określania naprężeń, dobrej technologii wykonania i kontroli, <5 = 1,7+2,0 - elementy o większych wymia rach przy braku możliwości badań zmęcze niowych w postaci naturalnej, elementy spawane o większym rozrzucie właściwości wytrzymałościowych z wadami spawalni czymi, średnia technologia wykonania i kontroli, 8= 2,0+2,5 - przy orientacyjnym określaniu naprężeń, mało znanych i ciężkich warun ków pracy, dla elementów odlewanych.
Tabela 4.12. Współczynniki determinujące zmęczeniowy współczynnik spiętrzenia naprężeń Definicja
Współczynnik fit - współczynnik działania karbu A =i+% -O gdzie: rj - współczyn nik wrażliwości mate riału na działanie karbu, a współczynnik kształtu. k
Wyznaczanie
Obliczany na podstawie wartości i a lub z wykresów [7] gdzie: Z wytrzymałość fi„=f{Z ,a ,p) zmęczeniowa próbki gładkiej gdzie: p- promień dna karbu. bez karbu, Z - wytrzymałość zmęczeniowa próbki z karbem.
n
k
k
a
bk
k
k
k
a - dobierane z wykresów lub zależ ności empirycznych [2, 7, 12]. Wynika gdzie: c w , r - naprężenia z geometrii karbu. Ogólnie dla prętów: maksymalne związane ze zmianą kształtu przedmiotu (na dnie karbu),
t
= ^ -
lub
k
m M
-W\
. •
k
t
s
gdzie: współczynnik łączący fi dla stopów aluminium n = / ( p ) i a j wg koncepcji Thuma, Buchmana, Petersona [7], Z reguły dobierany na podstawie fi = ^ wykresów [2, 7, 12]. Dla powierzchni części stalowych gdzie: Z i wytrzymałość zależy od [7, 12]: rodzaju obróbki, zmęczeniowa próbki gładkiej geometrii karbu, obecności naskórka polerowanej, Z - wytrzyma walcowniczego R . łość zmęczeniowa próbki Dla powierzchni części żeliwnych: o danym stanie powierzchni. z naskórkiem odlewniczym: f) = / ( # ) , gdzie R - wytrzymałość k
P - współczynnik stanu powierzchni p
k
s
p
r
y
na rozciąganie; (bez naskórka odlew niczego fi = 1). Dla
powierzchni
części
toczonych
z duralumimum:
A = 1,1 + 1 , 2 . Dla powierzchni części toczonych ze stopów magnezu: Ą , = 1 , 2 5 + 1,4.
Tabela 4.13. Wartości współczynników i naprężeń dopuszczalnych 1
2
3
4
5
6
7
a.
>h
y
Pr
h
P
8
Przyjęte do obliczeń wartości
t
D/d
V
[MPa]
1,01
1,37
1,31
1,326
1,576
122,737
1,02
1,43
1,33
1,378
1,628
116,971
1,03
1,5
1,35
1,44
1,69
111,038
1,05
1,54
1,36
1,475
1,1
1,58
1,5
1,69
2
1,725
107,973
1,51
1,76
105,041
1,39
1,607
1,857
98,134
1,74
1,40
1,651
1,901
95,178
3
1,80
1,41
1,704
1,954
91,949
6
1,88
1,42
1,774
2,024
88,127
0,88
1,37
1,25
kgo « o [MPa]
1
i
1.5
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
D/d
Rys. 4 . 1 1 . Zależność k , w funkcji D/d gl
4.8. Literatura [I]
B r a n o w s k i B., red.: W p r o w a d z e n i e do projektowania, P W N , W a r s z a w a 1998.
[2]
D i e t r i c h M . , r e d . : P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , t. 1, w y d . III, W N T , W a r s z a w a
[3]
D m i t r e v V . A . : D e t a l i m a s i n , L e n i n g r a d 1970.
1999. [4]
Fachwissen des Ingenieurs.
[5]
F i n n i e I., H e l l e r W . R . : P e ł z a n i e m a t e r i a ł ó w k o n s t r u k c y j n y c h , W N T ,
Warszawa
1962. [6]
Grudziński K.: Rola, m o d e l o w a n i e i obliczanie połączeń e l e m e n t ó w w konstruk cjach
mechanicznych,
XIII
Sympozjon
PKM,
referaty
problemowe,
Lublin-
Kazimierz D o l n y 1985. [7]
K o c a ń d a S., S z a l a J.: P o d s t a w y o b l i c z e ń z m ę c z e n i o w y c h , P W N , W a r s z a w a 1 9 9 7 .
[8]
K u d r a v c e v V . N . : Detali maśin, L e n i n g r a d 1980.
[9]
L a w r o w s k i Z.: T e c h n i k a s m a r o w a n i a , P W N , W a r s z a w a 1987.
[10]
Malinin N.N., Rżysko J.: Mechanika materiałów, P W N , W a r s z a w a 1981.
[II]
Moszyński
W.:
Wytrzymałość
zmęczeniowa
części
maszynowych,
PWT,
W a r s z a w a 1989. [12]
Niezgodziński
M.E.,
Niezgodziński
T.:
Wzory
wykresy
i
tablice
wytrzymałościowe, W N T , W a r s z a w a 1996. [13]
Odqvist F.K.G.: Matheniatical theory of creep and creep rupture, Claredon Press,
[14]
O r l o w P.I.: Z a s a d y k o n s t r u o w a n i a w b u d o w i e m a s z y n , W N T , W a r s z a w a 1 9 7 1 .
[15]
R a b o t n o v J.N.: P o ł z u ć e s t ' e l e m e n t o v konstrukcji, Nauka, M o s k v a 1966.
[16]
Spotts M . P . : M e c h a n i c a l design analysis, N e w Jersey 1964.
Oxford 1966.
[17]
Z w i e r z y c k i W . : O l e j e , p a l i w a i s m a r y d l a m o t o r y z a c j i i p r z e m y s ł u , Instytut. T e c h nologii Eksploatacji, R a d o m 2 0 0 1 .
Zagadnienia kontrolne 1. Z d e f i n i u j z j a w i s k o tarcia. 2.
W y m i e ń rodzaje tarcia.
3.
W y m i e ń i scharakteryzuj procesy zużywania.
4.
Scharakteryzuj procesy pełzania i relaksacji.
5.
O m ó w zjawisko zmęczenia materiału.
5. ELEMENTY I UKŁADY SPRĘŻYSTE
SPRĘŻYNY Leonardo da Vinci, Madrid Codex I, c. 1497
5.1. 5.1.1.
P o d s t a w y systematyki i działania Funkcja
Elementy sprężyste, zwane sprężynami lub łącznikami sprężystymi, należą do podatnych połączeń maszyn. Mają dwie wyróżniające się właściwości: mogą znacznie odkształcać się pod wpływem obciążenia zewnętrznego oraz cechują się wyjątkową zdolnością do akumulowania energii w określonej objętości. Te wła sności w sprężynach metalowych są nadane dzięki kształtowaniu ich cech geome trycznych (tzw. sprężystość kształtu), a w sprężynach elastomerowych dzięki du żej podatności materiałowej tworzyw konstrukcyjnych o małych modułach sprę żystości (tzw. sprężystość materiałowa). Względne odkształcenia robocze stali sprężynowej są w przybliżeniu tysiąckrotnie mniejsze niż elastomeru, naprężenia robocze stukrotnie większe, a zdolność gromadzenia energii w przybliżeniu dzie sięć razy mniejsza. Postać konstrukcyjna sprężyny jest dostosowana do jej funkcji i wyznaczona przez zbiór elementarnych cech konstrukcyjnych: strukturę, kształt, rozmiary, tworzywo, właściwości powierzchni, odchyłki geometryczne i obciążeniowe. Należy zwrócić uwagę, że w sprężynach obok typowych dla wszystkich konstruk cji maszynowych cech geometrycznych i materiałowych występuje trzeci typ cech, zwanych obciążeniowymi. Cechy obciążeniowe konstrukcji sprężyn zawie rają stany i zmiany charakterystyki obciążenie-odkształcenie, zmiany relaksacyjne i zmęczeniowe w określonej temperaturze pracy oraz opis korygowania zmian zadanej charakterystyki przy wytwarzaniu oraz zmian charakterystyki w procesie eksploatacji. Zatem sprężyny wykazują własności sprężyste i tłumiące. Własności sprężyste polegają na zdatności sprężyny do magazynowania energii mechanicznej struktury
•Et™ w postaci energii potencjalnej E , która z kolei może być zwrotnie oddana w nie w pełni odwracalnym procesie jako energia mechaniczna E . Siły i (lub) momenty przyłożone do usprężynowionej struktury wywołują w wyniku podatno ści jedynie ograniczone ruchy jej części. Tłumiące właściwości struktury występu ją, gdy energia mechaniczna £ zamienia się nieodwracalnie w energię cieplną Eienn. Tłumiki łagodzą uderzenia lub wstrząsy przekazywane dalszym częściom struktury w wyniku przekształcenia części energii mechanicznej w cieplną, a amortyzator)' (tłumiki drgań) dodatkowo tłumią drgania. Sprężyny można podzielić ze względu na ich funkcję, stan obciążenia elementu sprężystego, rodzaj dominujących naprężeń i ukształtowanie stntktury (kształt sprężyny). Sprężyny spełniająjednocześnie jedną lub więcej funkcji: • akumulują energię potencjalną w celu wykorzystania jej jako pracy mecha nicznej (silniki sprężynowe, np. mechanizmu chodu zegarów i rejestratorów, zamykacze drzwiowe, zabawki mechaniczne); • zamykają sprężyście przepływ sił lub ustalają sprężyście położenie elementów z luzami (sprężyny siłowe: np. docisk sprężysty w mechanizmach krzywko wych, w sprzęgłach podatnych, przeciążeniowych i odśrodkowych, w hamul cach i zaworach; regulacja zużycia sprzęgła, hamulca i dławnicy zaworu; kształtowanie parametrów ruchu w punktach zwrotnych mechanizmu; spręży ny zwrotne: kasowanie luzów międzyzębnych i międzyzwojnych); • mierzą lub ograniczają bądź dzielą obciążenie (sprężyny pomiarowe, np. wagi sprężynowe i torsyjne, siłomierze lub ciśnieniomierze mechaniczne, przetwor niki tensometryczne, regulatory odśrodkowe i ograniczające, np. sprzęgła przeciążeniowe i poślizgowe, połączenia równoległe sprężyn); • kształtują charakterystykę dynamiczną maszyny lub pojazdu ze względu na przejmowanie i tłumienie sił uderzeniowych, drgań i przemianę energii ude rzenia w energię cieplną (amortyzatory, np. amortyzatory pojazdów, tłumiki uderzenia, zderzaki, sprężyny drganiowe, np. wibroizolatory sprężyste, prze nośniki i wzbudniki wibracyjne, regulatory balansowe zegarów); • łączą podatnie inne elementy prowadzone lub łożyskowane lub przejmują me chaniczne i cieplne zmiany odkształceniowe innych elementów (sprężyny więzi podatnych, np. podatne obudowy łożyskowe, prowadnice i dociskacze sprężyste, fiksatory i mechanizmy zapadkowe); • zapewniają bistabilność układu dwupołożeniowego (sprężyny urządzeń bistabilnych, np. urządzeń przerzutowych, włączników wysokonapięciowych, termobimetałi kompensacji wskazań regulatorów czasu, ciśnienia, termobimetali zamykania i otwierania obwodów elektrycznych, sprężyny z pamięcią kształtu lub sprężyny stykowe, doprowadzające energię elektryczną). Podział sprężyn ze względu na wspomniane kryteria systematyki opisu samego elementu co do wykorzystanego efektu fizycznego, rodzaju i kształtu elementu sprężynującego oraz jego obciążenia i działania został przedstawiony w tabeli 5.1. pM
km
k i n
Tabela 5 . 1 . Elementy sprężynujące - opis, struktura, działanie Opis elementu sprężystego 4
3
osty
kształt elementu
2
rodzaj elementu
1
Struktura
o.
5
nazwa sprężyny
szkic
ca
pręt zakrzy
metalowa
-o -w
skrętowa
spiralna
S
sprężyna naciskowa/ naciągowa
sprężyna skrętowa
obciążenie
zginanie
-
•
skręcanie
•
•
zginanie
-
•
zginanie
•
•
skręcanie
>
i
"tam C-
c
spręży
ężysto
ciał stałycl
<—
7
-O
drążek skrętny
F >, 0 o
6
•
płaska
O,
o*
Działanie jako:
^
śrubowa
o. -a
tulejowa (walcowa)
•
ściskanierozciąganie
O*
ci
pierścieniowa
płyta (stożkov
1
ściskanierozciąganie
f
stożkowa
<
•
zginanie
c.d. tabeli 5.1
prosto padłościan
krążkowa
zderzakowa
5
6
7
•
-
•
tulejowa
8
ścinanie
ściskanie
•
skręcanie
-
•
skręcanie
tulejowa
•
•
ścinanie
gazowa naciskowa
•
-
mieszkowa
•
-
pierścień (stożkowy)
pierścień
•
tarczowa
e*^—
'i
ts
|
ściśliwość gazowa
4
walec
sprężyna elastomerowa
3
mieszek
sprężystość cial stałych
2
tłok+ cylinder
1
Systematykę elementów tłumiących i amortyzujących ze względu na rodzaj tłumienia, efekt fizyczny, rodzaj elementu i wartość tłumienia podano w tabeli 5.2.
Tabela 5.2. Elementy tłumiące - opis, struktura, działanie i zastosowanie Struktura
Opis elementu tłumiącego rodzaj tłumienia
Tłumienie współczynnik tłumienia £ = W/W <0,02
efekt fizyczny
nazwa
przykłady
sporadyczne siły tarcia konstrukcyjnego (tłumienie pomijalne)
tarcie konstruk cyjne (wybacza nie, zbaczanie sprężyn, częścio we zblokowanie z tarciem zwojów sprężyny lub sprężyn zespołu)
prowadzone sprężyny śrubowe naciskowe lub sprężyny talerzowe
pneumatyczne i mieszkowe sprę żyny naciskowe, naciągowe, zginane i skręcane sprężyny, talerzowe sprężyny (pojedyncze lub szeregowe zespołowe)
stale siły tarcia
tarcie wewnętrzne (materiałowe) zewnętrzne tarcie (strukturalne)
tłumik elastomerowy tłumik cierny
0,05+0,25
tarcie wiskotyczne płynu (cieczy, gazu)
tłumik hydrauliczny tłumik gazowy tłumik prądowy wirowy
różne sprężyny elastomerowe pierścieniowe i talerzowe spręży ny (równolegle zespołowe) ciśnieniowe tłumiki hydrauliczne
hamulec prądów wirowych
do 1
proporcjonalne do prędkości siły tłumienia
prądy wirowe
5.1.2.
do 0,80
gaz 0,10+0,50 olej do 1
Charakterystyki
Funkcjom sprężyn mogą być podporządkowane uprzywilejowane charaktery styki sprężyn. Charakterystyką obciążeniową sprężyny F(s) lub M(a) jest liniowa lub nieliniowa zależność (rys. 5.la) pomiędzy obciążeniem ( s i ł ą F lub momentem M) a jej sprężystym odkształceniem (ugięciem s lub kątem obrotu a ) . Jeżeli obcią żenie jest proporcjonalne do odkształcenia, to sprężynę, a zarazem charakterystykę sprężyny, nazywa się liniową, jeżeli obciążenie wzrasta szybciej niż odkształcenie - nieliniową progresywną, jeżeli zaś wolniej - nieliniową degresywną. W pew nych zespołach złożonych ze sprężyn liniowych można uzyskać nieliniowe cha rakterystyki łamane, odcinkami liniowe progresywne lub degresywne. Przy charakterystyce liniowej (F = R-s lub M = R,-ct) właściwości spręży ny można scharakteryzować za pomocą jednego współczynnika, zwanego sztyw nością sprężyny R (wskaźnikiem sztywności, stałą sprężyny), któty dla sprężyn naciskowych lub naciągowych można wyrazić, jak następuje: dF F AF
a dla sprężyn skrętowych: dM _ M _ A M • const (5.2) R,= da a Aa Sprężyny o małej sztywności nazywa się podatnymi (miękkimi), a o dużej sztywnymi (twardymi). Podatnośćp jest funkcją odwrotną sztywności R sprężyny: p = ]IR, p,=i/R,. Przy poszerzeniu pojęcia sztywności na sprężyny nieliniowe miarą sztywności w określonym punkcie charakterystyki (rys. 5.Ib) jest tangens kąta nachylenia stycznej do krzywej charakterystyki (w punkcie A sztywność lokalna i? = dF/ds. ~ tg K). W sprężynach stałosiłowych (rys. 5.la) na pewnym odcinku charakterystyki F(s) ~ const, czyli sztywność R ~ 0. Charakterystyki nieliniowe i można linearyzować, wprowadzając zastępczy współczynnik sztywności R . Zils{
Rys. 5.1. Charakterystyki różnych sprężyn (a), sztywność R i praca odkształcenia IV (b), współ czynnik tłumienia
Głównej charakterystyce obciążeniowej F(s) lub M(a), lub też głównej charak terystyce odkształceniowej s(F) lub a(M) odpowiadają charakterystyki pochodne: sztywnościowa R(s) lub R {a); energetyczna (pracy odkształcenia) W(s) lub W,(a). Pracę odkształcenia W sprężyny stanowi pole pod charakterystyką: t
W = ^F(s)-ds
lub W, = ^M{a)-da
(5.3)
która dla sprężyn liniowych ma postać, odpowiednio: W = --(F s -F ) 2
2
2
=
rSl
2
~R-(s s ) 2
(5.4) lub
W =-R (a\-a\) t
r
W wyniku tarcia zewnętrznego między sprężynami zespołu równolegle połą czonych sprężyn pojedynczych (np. sprężyn talerzowych, resorów wielopiórowych) lub w wyniku tarcia wewnętrznego w materiale sprężyny (np. elastomero wej) linia obciążenia na wykresie charakterystyki (rys. 5.1c) nie pokrywa się z linią odciążenia, tworząc pętlę histerezy. Współczynnik
Układy sprężyn
Sprężyny są podatne na strukturyzację, czyli połączenie kilku sprężyn w układ sprężyny zespołowej, stosowanej m.in. w zawieszeniach pojazdów, amortyzato rach, sprzęgłach podatnych. W zależności od sposobu ułożenia pojedynczych łączników sprężystych można wyróżnić równoległe, szeregowe i kombinowane układy sprężyn (rys. 5.2, 5.3, 5.4). W układzie równoległym (rys. 5.2) każda ze sprężyn przenosi część obciążenia, a ich ugięcia użyteczne są jednakowe. Sztyw ność zespołu jest sumą sztywności. s
- i
s
z
F =F
l +
F +
=
s
+
2
=
2
=
•••
s
n
const
=£f, =£s R, =s ^ R , r
R,=F/s =R +R +... 1
=
l
2
+
^
^
R ='£R n
l
W układzie szeregowym (rys. 5.3) każda ze sprężyn przenosi to samo obciąże nie, a ugięcie zespołu jest sumą ugięć pojedynczych sprężyn. s
z
=s +s +... + 1
2
s„=Y s j
i
l/R
i/R,
= sJF
= \/R +\/R +... l
2
+
\/R„=Y J
Rys. 5.2. Układy równolegle sprężyn śrubowych naciskowycli (a), śrubowych naciągowych (b), sprężyn talerzowych kolumnowych (c), śrubowych naciągowej i naciskowej (d), drążków skręt nych (e)
Rys. 5.3. Układy szeregowe sprężyn: śrubowych naciągowych (a), śrubowych naciskowych (b), talerzowych (c), naciągowej i płaskiej (d), drążka skrętnego o zmiennej sztywności (e)
Przy skokowym włączaniu się lub wyłączaniu się sprężyn z przenoszenia ob ciążenia można uzyskać liniowe, progresywne i degresywne charakterystyki ze społu, zapewniające m.in. zmniejszenie ugięć roboczych (rys. 5.4a). Układy kom binowane (rys. 5.4b,c) powstająprzy powiązaniu układów sprężyn równoległych z szeregowymi (np. identycznych sprężyn talerzowych), co pozwala zmienić ugięcie lub obciążenie oraz charakterystykę. W trakcie pracy pewne podukłady mogą zostać wyłączone z przenoszenia obciążenia (blokowanie).
Rys. 5.4. Charakterystyki i struktury połączeń w układach sprężyn: a) charakterystyki liniowe i łamane przy układach dwóch różnych sprężynach liniowych; b) charakterystyki nieliniowe de gresywne; c) charakterystyki progresywne przy układach z identycznych sprężynach nieliniowych degresywnych
5.1.4.
Wybór sprężyny
Wybór elementu sprężystego ze zbioat różnego rodzaju sprężyn jest oparty na wspólnym kryterium oceny przy ogólnie sformułowanych wymaganiach zadania projektowego. Ze względów operacyjnych problem stwarza dobór samego kryte rium oceny, które powiąże własności samej sprężyny (np. objętość montażowa V , masa m) z właściwościami sprężyny (np. sztywność R, praca sprężyny W). Przyj mując za kryterium stosunek JV/V , obrazujący zdolność do akumulowania pracy W (energii) w objętości V,„ materiału sprężyny i wyznaczając zakres wartości tego kryterium przy przyjętym zakresie wartości naprężeń dopuszczalnych i modułów sprężystości dla różnych stanów obciążenia i cech geometrycznych ośmiu rozpa trywanych rodzajów sprężyn (talerzowych, płaskich, śrubowych, spiralnych, pier ścieniowych i drążków skrętnych), można porównać wyniki (tab. 5.3). e
m
Tabela 5.3. Porównanie sprężyn ze względu na kryterium WJV zdolności akumulowania m
w objętości materiału
Sprężyny talerzowe rwykte
« =2000...1000MPa r! = D/d=1.Z.. 5 h/s =0.2... 2
,j
=\\0 .(t, D.d.S.h}
iop
rj
K
n
_J
-
Sprężyny ptaskie prostokątne
Ot„ = 950...1000MPa dlo s=3...1 mm
A/V = f^ „/18E
ff«„,»!000...U00MPo dla s <1 mm
Sprężyny ptaskie trójkątne
«d..650...10O0MPo dla 3...1 mm ffdop--1000. .1100MPO dlo s < 1 mm
M
0
s
A/V = dl /6E M
QX
Sprężyny śrubowe
—
a „ -1100..M.50MPO
y^"
t
dlo d= ^ mm o ,=1350...1600MPa dlo d = 1.6 mm
...
a< p
Sprężyny spiralne
al
A/V =
M
M
M
w
^ —
H
|
-
ff „ = 750...850MPo dlo 5 > 3 mm o »900...1000 MPa dlo s=1...3mm a
p
BW
^ ^ ^ T ^ - ^
AG
Sprężyny śrubnwe naciskowe A / V
5
/CC
Drążki skrętne A/V =
energii
sprężyny
T„„-650...750MPa dla d = 10 mm i-a„p=600...950MPa dla d = 4 mm
d
" ^^Y- /l
^-kA0/l /~\
= r L A 6
Sprężyny pierścieniowe
t r : ; " .
—
a
td.,=''00. 850MPG dla d = 4 mm t*,,=950...1100MPa dlo d = 1,6mm
(ii
n
r
-
900...1300MPa dlo tgl0.fl/ Ig (i=1.7 2
4 6 10 20 40 60 A/V„ (10 Nm/m ) 5
3
Z tego p o r ó w n a n i a wynikają szczególnie dobre właściwości a k u m u l o w a n i a energii przez s p r ę ż y n y pierścieniowe i talerzowe, a nieco gorsze - przez s p r ę ż y n y ś r u b o w e i drążki skrętne. 7
ZADANIE 5.1. Znana jest liniowa charakterystyka/ ^) pojedynczej śrubowej walcowej sprężyny naciskowej (tys. 5.5a), czyli zadane są: ugięcie s„ i siła F„(s„). Przyjąć F„ = F ~ F i s - s i wyznaczyć charakterystyki zespołu sprężyn, zbudowanego M
n
z identycznych z zadaną sprężyną: o połączeniu równoległym (rys. 5.5b) i szeregowym {rys. 5.5c) dwóch sprężyn i o połączeniu mieszanym (rys. 5.5d) szeregowo-równoleglym trzech znanych sprężyn. Wyniki analiz podać na wykresie F {s ) • z
b)
a)
z
d)
ł
_£
1 R
R
ZR
Rys. 5.5. Struktury sprężyn zadania (a-d) i jego rozwiązanie (e) R o z w i ą z a n i e (rys. 5.5e): F
•
• R-s:
dla sprężyny pojedynczej (rys. 5.5a): R, = R = — ; F, = R dla układu równoległego (rys. 5.5b): R, = 1R, = 2 7 ? :
s
l
i
m
K
=s
;
F
••2-R-s
tim>
dla układu szeregowego (rys. 5.5c): 1 „ 1 2 ,. _ R — - 2 — = — , czyli R. =•— R
R,
:
F
R i
m
n
=
2F;
•• 2,5
2
= R
:
- ^ = ~ 2 s
= R-s =
F;
rlla układu mieszanego szeregowo-równoległego (rys. 5.5d) charakterystykę wyzna czają dwie sytuacje: - jeżeli F. < F, to przy R = R; R = 2R mamy: t
R, -
jeżeli
R,
R
R,
s
= l,5s < s. < J
zmm
2
2R E l l r a x
3 2 — ; czyli R, =-R; 2R 3 =
2s ,
spół równolegle połączonych sprężyn = ^
+
'k.„,X -
) = F + 2R
F
3F
s, = - i - = — = l,5 v - R, 2R Ł
to s p r ę ż y s t o ś ć z a c h o w u j e j e d y n i e p o d z e
R,
= R
• 0,5.
2
= 2i? ;
= F + F
=
2F.
5.2.
Sprężyny metalowe
Sprężyny metalowe charakteryzują się dużą różnorodnością kształtu (rys. 5.6).
Rys. 5.6. Różnorodność kształtów sprężyn śrubowych naciskowych (a), śrubowych naciągowych (b), śrubowych skrętowych (c), układów sprężyn talerzowych (d), sprężyn płaskich (e) i spiralnych (f)
Przykładowo w sprężynach śrubowych (rys. 5.6a, b i c) ta różnorodność jest związana z ukształtowaniem obwiedni zwojów (sprężyny walcowe, stożkowe, kształtowe), z kształtem przekroju pręta (drut kołowy, rurowy, taśma prostokątna),
kształtem rozwiniętego drutu (walcowy, stożkowy, walcowo-stożkowy), z pochy leniem zwojów (stałym i zmiennym), z ukształtowaniem powierzchni podporo wych w sprężynach naciskowych, z zaczepami sprężyn naciągowych i ramionami (zaczepami) sprężyn skrętowych czy z występowaniem napięcia wstępnego lub z jego brakiem w sprężynach naciągowych. Podobną różnorodność formy można zaobserwować w sprężynach płaskich (kształt - rys. 5.6e) oraz spiralnych (zacze py - tys. 5.6f) i w mniejszym stopniu w sprężynach talerzowych (sprężyny stoż kowe, rozcięte sprężyny stożkowe, sprężyny stożkowe gwiaździste). Z racji wspomnianej różnorodności sprężyn ograniczono treści systematycznego wykładu do bardziej szczegółowego omówienia metalowych sprężyn śrubowych i talerzo wych, które z racji zastosowań zostały znormalizowane co do metod obliczeń sprężyn śrubowych (PN-85/M-80701, PN-85/M-80702, DIN 2089 T.l i 2, P N 65/M-80703, DIN 2088) i talerzowych (PN-73/M-80707, DIN 2092), a także normalizacji parametrów (PN-71/M-80706, DIN 2098 Bl.l, DIN 2093) oraz wy magań (PN-88/M-80705, DIN 2095, DIN 2096, DIN 2097) i są najczęściej sto sowane jako sprężyny ogólnego przeznaczenia.
Rys. 5.7. Wybrane zastosowania sprężyn metalowych w pojazdach; a) układ sprężyn zaworowych (7, 8) z talerzami (4, 5) i stożkiem mocującym (5); b) układ sprężyn zaworowych z zespołem obrotu zaworu Rotocap; c) naciągowa sprężyna zwrotna (2) dźwigni pedału (1) wyłącznika (4) hamulca z układem wspomagania (5) w urządzeniu napędowym hamulca samochodowego; d) układ skośnie położonej sprężyny (2) i tłumika drgań (3) w zawieszeniu kola z poprzecznym wahaczem (1); e) układ skośnie położonej sprężyny (2) i tłumika drgań (3) w układzie wahacza podłużnego (1) zawieszenia koła; f) skrętowa sprężyna zwrotna (2) dźwigni pedału (1) z wyłącz nikiem (4) hamulca i układem wspomagania w urządzeniu napędowym hamulca samochodowego; g) układ stalowej i elastomerowej sprężyn amortyzatora; h) zawieszenie z resorem piórowym trapezowym póleliptycznym w stanie obciążonym i swobodnym
Sprężyny metalowe są stosowane w wielu dziedzinach. Na rysunku 5.7 przed stawiono otoczenie konstrukcyjne i same sprężyny w wybranych aplikacjach w pojazdach samochodowych. 5.2.1.
Materiały sprężyn metalowych
Spełnienie wymagań funkcjonalnych, technologicznych i ekonomicznych sprężyn metalowych jest zależne w głównej mierze od materiału. Zawodność kon strukcji sprężyny wynika z niespotykanego w innych elementach konstrukcyjnych poziomu wytężenia wytrzymałościowego, tak statycznego jak i zmęczeniowego. Przy tym poziomie wytężenia zjawiska niedoskonałości sprężystej (pełzanie, re laksacja naprężeń, histereza sprężysta i dynamiczna) przebiegają silnie, nawet w temperaturze pokojowej. Duże odkształcenia plastyczne przy kształtowaniu technologicznym elementu sprężystego (gięcie, tłoczenie) ograniczają zakres sto sowanych materiałów, szczególnie przy bardzo wysokiej wytrzymałości R„, półfa brykatów (drutów, taśm). Zapewnienie właściwości sprężystych i wytrzymałościowych wymaga stoso wania materiałów o wysokiej granicy sprężystości i wytrzymałości doraźnej. Ma teriały sprężyn muszą wykazywać jednorodną strukturę drobnoziarnistą i odpo wiedni stan warstwy wierzchniej (elektrochemiczne polerowanie, przeprężanie, kulowanie, brak odwęglenia), by zapewnić wysoką odporność na pęknięcia doraź ne i zmęczeniowe. Odporność korozyjną uzyskuje się przez chemiczne, galwa niczne (groźba nawodorowania i kruchości stali!) lub lakiernicze pokrycia ochronne bądź stosowanie materiałów odpornych na korozję (stali nierdzewnej, brązów, stopów niklu). W tym rozdziale krótko scharakteryzowano własności wytrzymałościowe i sprężyste stali sprężynowych ogólnego przeznaczenia (tab. 5.4). Ogólnie stale i stopy sprężynowe można podzielić na: (1) umacniane w wyniku odkształceń plastycznych na zimno z późniejszym niskotemperaturowym odpusz czaniem (węglowe i stopowe stale perlityczne, stopy molibdenu, brązy i mosiądze jednofazowe); (2) umacniane w wyniku przemiany martenzytycznej (węglowe i stopowe stale hartowane, stale nierdzewne z przemianą austenityczno-martenzytyczną w wyniku hartownia lub zgniotu); (3) stale i stopy umacniane starzeniem dyspersyjnym (stopy Fe-Ni, Fe-Ni-Cr, brązy berylowe, mosiądze). Wymagane właściwości sprężystości i wytrzymałości sprężyny mogą wynikać ze stanu wyjściowego „twardego" materiału przed wytworzeniem sprężyny (np. druty patentowane lub ulepszone) lub mogą być nadane przez obróbkę cieplną ukształtowanej w stanie „miękkim" sprężynie (np. stale walcowane na gorąco) [1].
Tabela 5.4. Przegląd materiałów sprężyn stalowych - własności wytrzymałościowe i zastosowania Rodzaj Lp. 1 Walcowane na gorąco stale dla 2 ulepszanych sprężyn (wg DIN 17221)
materiału akościowe stale szlachetne stale
3 jakościowe stale
4
Walcowane na zimno stale dla sprężyn (wg DIN 17222)
szlachetne stale
5
Patentowane ciągnione druty sprężynowe z niestopowych stali (wg DIN 17223 T.l)
2
Oznaczenie 38 Si7 58 Si7 60 SiCr 7
R,„ [N/mm ] 1180- -1370 1320- -1570 1320- -1570
55 Cr3 50 CrV4 51 CrMoV4
1370- -1620 1370- -1670 1370- -1670 1150- -1650 1180- -1680 1230- -1770 1320- -1870 1300- -1800 11 SO--1650 l l 80--1680 1230- -1770 1320- -1870 1400- -1950 1500- -2100 1500- -2200 1500- -2200 1400- -2000
206 000
78 500
206 000
78 500
206 000
78 500
1570+1890(d=\) 980+1120(^=10) 1900+2250(d=\) 1130+1310 (rf=10) 2260+2510(d=l) 1320+1520(d=10) 2700+3090 (d=0,Z)
206 000
81 500
1760+1960 (rf=l) 1260+1400 {d= 14) 1670+1810 (^=1) 1300+1400(^=7,5)
200 000
79 500
2010+2250(0^01)
185 000
70 000
C55 C60 C67 C 75 55 Si7 Ck55 Ck 60 Ck 67 Ck 75 Ck 85 Ck 101 71 Si7 67 SiCr 5 50 CrV4 A B C 11
2110+2350 6
7
Ulepszone druty sprężynowe FD i ulepszone druty zawo rowe VD ze stali stopowych (wg DIN 17223 T.2)
FD VD X 12 CrNi 17 7
Drut)' i taśmy sprężynowe ze X 7 C r N i A l 18 10 stali nierdzewnych (wg DIN 17224) X5 CrBiMo 18 10
2
C[N/mm'] GTN/mm ] 78 500 206 000
(d=2)
13201570(rf=dol0) 2060+2400(rf=dol) 1320+1570(^010) 1570+1820(rf=dol) 1080+1320((i=do8)
195 000 180 000
Zastosowania materiałów w konstrukcji sprężyn (kolejność jak w tabeli): (1) sprężyny płaskie, śrubowe walcowe i stożkowe, talerzosve; (2) wysoko obciążone sprężyny płaskie pojazdów, talerzowe stabilizatory, drążki skrętne; (3) sprężyny kształtowane na zimno przez wykrawanie, tłoczenie, gięcie i zwijanie; (4) szczególnie sprężyny talerzowe (Ck 55), wysoko obciążone sprężyny zwłaszcza naciągowe; (5) sprężyny naciągowe, skrętowe i kształtowe sprężyny przy umiarkowanych obciążeniach statycznych ( A ) sprężyny przy obciążeniu quasi-statyczivym (B), wysoko obciążone sprężyny naciskowe, skrętowe i kształto we, także przy obciążeniach zmiennych (C); (6) stosowane dla sprężyn o ograniczonej lub trwalej wytrzymałości zmęczeniowej; (7) z drutu; naciskowe, naciągowe, skrętowe i kształtowe, z taśmy sprężyny płaskie, talerzowe i kształtowe
5.2.2.
Obliczenia i kształtowanie sprężyn śrubowych
Modelowanie odkształceń i naprężeń Rozpatrywane tu będą odkształcenia sprężyste walcowej sprężyny śrubowej w ogólnym stanie obciążenia siłą osiową F i momentem Mdziałającym na czołach sprężyny w płaszczyźnie prostopadłej do osi (rys. 5.8). Moment Mmoże być wy wołany obciążeniami zewnętrznymi, warunkami zamocowania, lub też występo waniem sił tarcia na czołach sprężyny. Wprowadzenie obciążeń zewnętrznych F i M w analizie wewnętrznych obciążeń pozwala ująć sprężyny naciskowe, nacią gowe i skrętowe we wspólną procedurę.
Rys. 5.8. Stan obciążenia (a) i parametry geometryczne (b) walcowych sprężyn śrubowych
W najczęściej stosowanych sprężynach z drutu lub pręta o przekroju kołowym (rys. 5.8) związki wielkości geometrycznych można opisać następującymi zależ nościami: •D =D + d;D =D-d;H = n-L=l-ńay/ (5 7) Igy/= L /nD = H InDn; 1 = nDn/cosy/; Q = 2nti gdzie: d - średnica drutu; D - średnia średnica sprężyny w stanie nieobciążonym; H- długość czynna sprężyny; L,„ - skok zwojów; n - liczba zwojów czynnych sprężyny; yi-kąt wzniosu linii śrubowej; / - długość całkowita zwojów czynnych (długość drutu); 0 - kąt centralny. Na dowolny przekrój zwoju sprężyny (tys. 5.8a) działają: • moment skręcający: M = 0,5 - FD • cos yi + M • sin y/\ • moment gnący: M = M-cosy/-0,5-FD-siny/ oraz składowe normalna l
m
Ft
Fb
(N = F • sin yi) i styczna ( Q = F • cos yr) siły F, których wpływ na odkształce nie sprężyny można pominąć.
Przy założeniu małych przemieszczeń otrzymuje się liniowe związki dła ugię cia s, zmiany kąta centralnego A 0 i zmiany średniej średnicy sprężyny AD pod wpływem działania momentu skręcającego M , i gnącego M (wyprowadzenie w[l]): F
Ir,,
2
nD n
El 4EI cos y/ FD [GI, nDn
A0 =
, + M\ cos w + sin" yr {GI,
El
FD
sin
El cosys AD
-FD
1
•siny/'
2y/ + M\ {GI,
cos 2y/\
MD
4EI c o s V J
2GI,
y
( T?I
\
,
Fb
\
sin 2y/
(5.8)
sur///-t-cos y/
(5.9)
2 sin ^
+
cos2^ (5.10)
2cos^
Tak więc w wyniku zmian krzywizny i skręcenia linii śrubowej w procesie od kształcania sprężyny zachodzą zmiany długości czynnej (ugięcie) sprężyny, obrót czół i zmiany średniej średnicy sprężyny, które są funkcjami m.in. bieżących war tości kąta pochylenia y/. Przyjmując typowe założenie dla sprężyn śrubowych, że: (a) kąt nachylenia linii śrubowej yi ~ 0 , czyli sin^z = 0,cos(i/ = 1 (w rzeczywisto ści np. dla sprężyn naciskowych ip<9°) i nie ulega zmianom w.trakcie obciążenia (yi = const), można wyznaczyć odkształcenia i naprężenia dla często występują cych przypadków obciążenia: •
dla naciskowych lub naciągowych sprężyn walcowych śrubowych przy swo bodnym zamocowaniu czół nieograniczającym ich obrotu względem osi, gdy F ± 0, M = 0 : KFD\J
Gd"
BFD\
s = AGI,
Gd"
s W.
4
, przy/, =nd
/32
0,5FD nd'
8FD nd'
16 dla skrętowych sprężyn walcowych śrubowych, gdy F ••= 0, M*0, 7i • MnD 8=El W
(5.11)
J
8D « (5.12) A6 = 9 :
GAMDn
(5.13)
4
Ed 32 • M nd'
(5.14)
Te zależności są podstawą obliczeń sprężyn śrubowych walcowych przy quasi-statycznym obciążeniu. Wyznaczone naprężenia robocze przy nominalnym ob ciążeniu F (lub M ) są porównywane z naprężeniami dopuszczalnymi r < r d (lub er < r j ) . W dokładniejszych obliczeniach naprężeń sprężyn śrubowych przy zmiennym obciążeniu uwzględnia się krzywiznę drutu (i udział stycznej Q n
gn
n
gdop
sn
S
o p
składowej siły F w sprężynach naciskowych), wywołującą nierównomierny roz kład naprężeń na obwodzie przekroju kołowego pręta z maksimum (lub a = k a„) po wewnętrznej stronie zwoju (rys. 5.9). m a x
u
Rys. 5.9. Spiętrzenie naprężeń po wewnętrznej stronie zwoju wywoiane krzywizną zwoju
Współczynniki poprawkowe naprężeń przy skręcaniu k i przy zginaniu k sprężyn (k > 1 i k > 1) są funkcjami tzw. wskaźnika sprężyny w = D/d. Współ czynnik poprawkowy k można wyznaczać za pomocą dwóch zależności (błąd mniejszy niż 4%): • w literaturze europejskiej za Bergstraesserem: /< = (u< + 0,5)/(w-0,75) (5.15a) • w literaturze anglosaskiej za Wahlem: k = 1 + 5/(4w) + 7/(8w ) + l/w (5.15b) a współczynnik k z zależności: k = 1 + 0,87(7/w) + 0,642 (l/w) (5.15c) Naprężenia dopuszczalne sprężyn naciskowych przy obciążeniu statycznym, tzn. obciążeniu stałym przy nieograniczonym czasie pracy i obciążeniu pulsacyj nym „rzadko zmiennym" przy trwałości ograniczonej do 10 cykli bezuderzeniowych zmian obciążenia zachodzących w większych odstępach czasu odnosi się do wytrzymałości R„, na rozerwanie drutu. W warunku wytrzymałościowym maksy malne naprężenia robocze z < T odnosi się do naprężeń dopuszczalnych, bli skich granicy plastyczności drutu przy skręcaniu /?„.,: F
F
M
M
F
F
2
3
F
M
2
u
4
H
T
„i
R
= a,
=
l l o
Ko.i
=
/R
° '
5
8
• ( ^ . O , ;
R
x
,„ ) • „ ,
przy słusznym dla drutów patentowanych założeniu R
c0
2
0,5R
/R
m
m
= 0,87 .
Sprężyna pracuje wyłącznie w zakresie odkształceń sprężystych, gdy napręże nia styczne przy zblokowaniu zwojów są mniejsze od granicy sprężystości R o,o3 przy skręcaniu, co odpowiada r < 0,25/?,,,. Naprężenia dopuszczalne dla sprężyn zwijanych na zimno przyjmuje się: • przy maksymalnym obciążeniu F„: r = 0,5/?,„; sps
c
d o p
•
przy blokującym zwoje obciążeniu F : r c
d
=
0,56R . m
Zwijanie prostego drutu w procesie gięcia plastycznego wywołuje obniżenie granicy plastyczności drutu w wyniku sumowania się powstałych naprężeń wła snych gięcia ze stycznymi naprężeniami roboczymi. Zatem przy przyjęciu tak wysokich naprężeń dopuszczalnych T = 0,5R muszą zachodzić procesy spręm
d o p
żysto-plastyczne przeprężania sprężyn, które objawiają się „osiadaniem", czyli zmniejszaniem pierwotnej długości sprężyny. Zahamowanie „osiadania" zachodzi po kilku ugięciach sprężyny w wyniku zarówno korzystnej zmiany rozkładu na prężeń stycznych w przeprężonym przekroju drutu (sprężyste jądro przekroju i uplastyczniona warstwa zewnętrzna), jak i umocnienia materiału. Wytrzymałość na rozerwanie R,„ drutu sprężynowego, a więc i naprężenia do puszczalne tdop są silnie zależne od średnicy drutu patentowanego lub ulepszonego (R = a-d~P) sprężyn zwijanych na zimno i słabo zależne od średnicy dla sprę żyn zwijanych na gorąco ( r - 6 0 0 N / m m ) . Dodatkowym wymaganiem kon strukcyjnym wobec sprężyn przy obciążeniu statycznym jest ograniczona do war tości zadanych utrata siły AF w wyniku relaksacji naprężeń. W nomiie DIN 2089 T.l po raz pierwszy w literaturze przedmiotu podano wykresy względnej utraty siły w wyniku relaksacji naprężeń R = AF/F w funkcji naprężeń roboczych r, temperatury T i średnicy drutu d. Relaksacja zachodzi w sprężynie o stałej długo ści L(T) = const po czasie pierwszego stadium relaksacji / = 4 8 h, gdy zmiany prędkości relaksacji v =dR/dł = Q. Dwa wykresy spośród wielu podanych w DIN 2089T.1 dla różnych materiałów przedstawiono na rys. 5.10. Naprężenia dopuszczalne sprężyn naciskowych przy obciążeniu zmiennym są odniesione do naprężenia rozpiętości cyklu t : m
2
d o p
R
kh
T
k
r
% = „ • = *-2 ' ^ , = (r - r , ) • k 2
F
= 8(F - F ) k 2
t
3
F
/n-d <
t
kH
(5.16)
z zachowaniem warunku naprężeń maksymalnych cyklu: ^
1
= ?u-T.-k^SF.-k./n-d ^
r,„„
(5.17)
gdzie: r , - naprężenie zakresu zmian cyklu z uwzględnieniem współczynnika k; T i Tfri - maksymalne i minimalne naprężenia cyklu, kH i r X - dopuszczalny zakres zmian naprężeń i dopuszczalne naprężenie mak symalne na wykresie zmęczeniowym (DIN 2089). w
K2
T
M A
b)
a)
VD I FD nq OIN 1 7 2 2 3 T. 2
C I D WG DIN 1 7 2 2 3 T 1 15 % 13 12 11 10 9
8
1
8 i
1
BO
5 4
1 200
400
600
0
8 0 0 1000 N/TNM'1400
*
Ą
_40°C^ —20 I 200
{ i HC4O°c
'i 1 ii I — V i oV
i 6
2
1
1
E
3
\~HfZ.
/
/
1
^20°C
/
J
•i* •
400
600
800
1000 N/MM?1400
Rys. 5.10. Relaksacja po 48 h pracy w g DIN 2089 T.l dla sprężyn śrubowych naciskowych Z W I J A nych na zimno i osadzanych wstępnie w temperaturze pokojowej, wykonanych z drutów patento wanych (a) lub ulepszonych (b): linia ciągła dla d = 1 mm, linia kreskowa dla d = 3 mm, lima punktowa dla d= 6 mm
Podane na rys. 5.11 zbiorcze wykresy zmęczeniowe Goodmana wg DIN 2089 dotyczą śrubowych walcowych sprężyn naciskowych zwijanych na zimno z drutu patentowanego klasy C (wg DIN 17223 cz.l) przy sprężynach kulowanych o trwa łości ograniczonej N < 10' cykli (a) lub o trwałości nieograniczonej N > 10' cykli (b), lub też sprężyn niekulowanych o trwałości nieograniczonej N > 10' cykli zmian obciążenia (c). Na rysunku 5.11 przedstawiono także tzw. kombinowany wykres: relaksacja R - trwała wytrzymałość zmęczeniowa D - ograniczona wy trzymałość zmęczeniowa Z dla sprężyn zaworowych z często stosowanego ulep szonego drutu zaworowego VD (wg DIN 17223). Przykładowo na rys. 5.1 ld roz patrzono sprężynę z drutu o średnicy d=4,25 mm, pracującą przy naprężeniach 2
2
maksymalnych r = 700 N / m m , r = 500 N / m m w temperaturze 160°C. Sprężyna ta wykazuje trwałość ograniczoną TV = 10 cykli i wykazuje po 300 h pracy (przebieg samochodu ciężarowego ok. 29 rys. km) utratę obciążenia mak symalnego A f =8,1+9,6%. m a x
kH
5
300
Sprężyny kulowane
-B
b)
Sprężyny ltiekulowane
Rys. 5.11. Zbiorcze wykresy Goodmana (wg DIN 2089) wytrzymałości zmęczeniowej dla zwija nych na zimno z drutu patentowanego klasy C (wg DIN 17223 cz.l) walcowych sprężyn śrubo wych: a) kulowanych o trwałości ograniczonej, b) kulowanych o trwałości nieograniczonej c) niekulowanych o trwałości nieograniczonej, d) kombinowany wykres R - D - Z dla sprężyn z ulep szonych drutów zaworowych V D (wg DIN 17223)
2
W sprężynach zwijanych na gorąco przyjmuje się x = 80+120 N/mm przy prętach bez wad z warstwą walcowizny i x = 200+320 N/mm przy prętach szli fowanych bez odwęglenia. Naprężenia dopuszczalne sprężyn naciągowych T = 0,45 R,„. W tych sprę żynach większość pęknięć występuje w zginanych (lub skręcanych) zaczepach. Większy wpływ na wytrzymałość ma zginane ucho zaczepu niż skręcany zwój kH
2
kH
D O P
walcowego korpusu. Jest to kompensowane w obliczeniach naprężeń stycznych zmniejszeniem naprężeń dopuszczalnych T . Naprężenia wstępne sprężyn naciągowych T pozwalają na uzyskanie siły napięcia wstępnego F (nacisku międzyzwojnego), co pozwala zmniejszyć monta żową długość sprężyny. Oczywiście występują także sprężyny bez naprężeń wstępnych (r = 0) z prześwitem międzyzwojnym w stanie swobodnym sprężyny. Wartości T nie przekraczają zwykle 0,1 R,„. Dopuszczalne wartości r wynoszą: • przy zwijaniu na tokarce: (0,135+0,00625- w)- R ; D O P
0
0
0
0
0
m
•
przy zwijaniu na automacie: (0,075 + 0,00375 • w) • R przy w = D/d . Naprężenia dopuszczalne sprężyn skrętowych przy obciążeniach statycz nych 0 g = 0,7 R,„ (przy obciążeniu przeciwnym do kierunku zwijania) i a = 1,0 R (przy obciążeniu zgodnym z kierunkiem zwijania). Natomiast przy ob ciążeniach zmiennych zakres zmiany naprężeń a ={a -(y )-k nie może przekroczyć wartości dopuszczalnej u/y wg wykresu wytrzymałości zmęczeniowej (DIN 2088). m
giop
d o p
m
hk
5.2.3.
2
[
M
Cechy konstrukcyjne i ich relacje w sprężynach naciskowych
Konstrukcja walcowych sprężyn śrubowych Na rysunku 5.12 przedstawiono integralne części zapisu konstrukcji sprężyn naciskowej i naciągowej, to znaczy ich konstrukcję i charakterystykę.
Wskaźnik sprężyny M' = D/d powinien być zawarty w granicach 4 < iv <15. Charakteryzuje on właściwości sprężyn i związane z nimi obszary zastosowań: (1)
gdy 4 < w < 5 , wówczas sprężyna ma minimalną objętość montażową, jest trudna w zwijaniu (pękanie drutu, zużycie narzędzi) i wykazuje duże spiętrzenie naprężeń w przekroju drutu (k >1,3); gdy 5 < w < 7 , wówczas zapewnia wyrównane wła ściwości konstrukcyjno-technologiczne, co często wykorzystywane jest w spręży nach motoryzacyjnych (zaworowych, zawieszenia, sprzęgłowych); (3) 6 < w < 1 2 , 5 to typowe wartości wskaźnika sprężyn ogólnego przeznaczenia (normy, katalogi firmowe). Liczba zwojów nieczynnych (oporowych) /?„ ma istotne znaczenie dla wła ściwej pracy sprężyny, dla płaskości i prostopadłości do osi powierzchni podpo rowych, dla eliminacji mimośrodowości obciążenia i środkowania sprężyny w elementach podporowych (rys. 5.13). Zwoje końcowe są najczęściej przyłożo ne, a czoło zeszlifowane w celu zapewnienia styku powierzchniowego. Liczba zwojów n„ nieczynnych powinna być mniejsza od 1; w praktyce często wykonuje się sprężyny zwijane na zimno («„= 2) i zwijane na gorąco (n„= 1,5) (w długich sprężynach i przy obciążeniach zmiennych n,, = 2+2,5). F
Rys. 5.13. Postacie zakończeń zwojów: a) proste zakończenie zwoju ciętego; b) końcowy zwój zeszlifowany, nieprzylożony; c) końcowy zwój przyłożony, cięty; d) końcowy zwój przyłożony, zeszlifowany
Liczba zwojów czynnych (roboczych) n może być miarą względnych odchy łek obciążenia: przy 2 < n < 4 występują duże odchyłki obciążenia i wzrost rze czywistych naprężeń w wyniku mimośrodowości; przy 4 < « < 1 0 odchyłki ob ciążenia są średnie; przy n >10 występują małe odchyłki obciążenia. Stosunek maksymalnych naprężeń roboczych do naprężeń dopuszczal nych x„ I T
A
jest miarą wytężenia wytrzymałościowego i wrażliwości na relak
sację: gdy 0,8 < z It n
najlepsze
< 1, wówczas sprężyny są mocno obciążone i wykazują
wykorzystanie
0,6 < t IT n
iop
dop
wytrzymałości
przy
wysokiej
relaksacji;
gdy
< 0,6, wówczas sprężyny są nisko obciążone i wykazują niską re
laksację; gdy 0,2 < T„ I r
d o p
< 0,4, wówczas sprężyny spełniają specjalne wyma
gania (np. jako sprężyny pomiarowe siły).
5.2.4.
Wyboczenie sprężyn naciskowych
Sprężyny naciskowe o dużej smukłości mogą utracić stateczność wzdłużną, czyli ulec wyboczeniu. Zakłada się przy tym, że sprężyna jest obciążona osiowo. Sprężyna obciążona mimośrodowo, o skrzywionej osi lub o nierównoległych czo łach, bądź w pozycji skośnej lub poziomej jest bardziej skłonna do wyboczenia. Prowadzenie sprężyny na trzpieniu lub w lulei na długości ugięcia roboczego po zwala wprawdzie poprawić stateczność, nie eliminuje jednak tarcia i zużycia o elementy prowadzące. Stateczność sprężyny jest uwarunkowana szeregiem czynników, z których wskaźnik smukłości sprężyny £(/£> oraz warunki zamoco wania skrajnych zwojów są najważniejsze (rys. 5.14).
1 1 u
I
o,8ue
1 i krzyw a grar iczno
P
\ o b s z nr wybo c z e n a
£*
i *
o b s z a r t >ezpie czny
8
9
Rys. 5.14. Krzywa graniczna wyboczenia śrubowych sprężyn naciskowych: a-e) dobór stałej v warunków zamocowania i prowadzenia skrajnych zwojów sprężyny; f) krzywa graniczna
Krytyczne ugięcie względne -^- = 0,5-
1 [-GIE
SI/LQ
utraty stateczności sprężyny wyraża wzór: -GIE 0,5 + GJE
(5.U \
v
L
oJ
gdzie: s*- krytyczne ugięcie wyboczeniowe; L Q - wysokość nieobciążonej spręży ny; v - stała warunków zamocowania skrajnych zwojów i prowadzenia sprężyny.
Sprężyna jest stateczna w dwóch przypadkach (rys. 5.14): gdy sk/s,, > 1, n
g d y v(LJD)<-
^ ( 0 , 5 + GIE)l{\ - GIE) ' c o d l a s p r ę ż y n s t a l o w y c h (G/E = 0 , 3 8 1 ) z a c h o d z i , g d y v •(/_„ ID) < 2 , 6 3 3 .
Z A D A N I E 5.2. Z a p r o j e k t u j ś r u b o w ą s p r ę ż y n ę n a c i s k o w ą o b c i ą ż a n ą s t a t y c z n i e z d r u t u p a t e n t o w e g o r o d z a j u C ( D I N 1 7 2 2 3 T . 1), o d a n y c h : siła F - 5 8 1 N ; u g i ę c i e s = 6 2 m m . 2
2
Rozwiązanie: M a k s y m a l n a siła ( z n a d d a t k i e m n a relaksację): F„ = 1,15 • F = 1,15 • 5 8 1 = 6 6 8 N ; 2
•
s z t y w n o ś ć : R = F 1s
•
m a k s y m a l n e u g i ę c i e : s =F lR
•
średnica drutu d z w a r u n k u wytrzymałościowego:
2
= 5 8 1 / 6 2 = 9,368 N / m m ;
2
n
8
d >2
6
6
= 6 6 8 / 9 , 3 6 8 = 71,3 m m ;
n
8
8
=J ' ' = 3,97 m m ( p r z y R \( 7 i - 0 , 5 - 1 8 0 0
m
7tr
d o p
dobór d = d
= 1800 N / m m
2
; w = 8 );
- 4 mm;
Dm
ś r e d n i a ś r e d n i c a s p r ę ż y n y : D = w - d = 8- 4 = 32 m m ; liczba z w o j ó w czynnych: A
3
3
i = (G-d )/(8D
3
• R) = ( G • d)/(8 • w • R) = (81 5 0 0 • 4 ) / 8 • 8 • 9,368) = 8,495 = 8 , 5 z w o j u 2
p r z y G = 81 5 0 0 N / m m ; c a ł k o w i t a l i c z b a z w o j ó w : n, =n + n = n + 2 = 8,5 + 2 - 10,5 ; n
długość sprężyny w stanie zblokowanym: L
c
suma prześwitów międzyzwojnych: S
a
= 0,1 • d • n = 0,1 • 4 • 8,5 = 3,4 m m ;
długość sprężyny nienapiętej: L = L + S 0
c
= n, • d = 10,5 • 4 = 4 2 m m ;
a
+s
n
= 4 2 + 3,4 + 71,3 = 116,7 m m ;
w a r u n e k w y b o c z e n i o w y p r z y v = 0,5 d l a vL ID = 0 , 5 - 1 1 6 , 7 / 3 2 = 1,82 j e s t s p e ł n i o 0
n y , g d y ż vL ID < 2 , 6 3 3 . a
Z A D A N I E 5 . 3 . D l a s p r ę ż y n y z a p r o j e k t o w a n e j w z a d a n i u 5.2 w y z n a c z u t r a t ę siły AF„ w w y n i k u relaksacji w temperaturze pracy T = 4 0 ° C i porównaj j ą z przyjętym naddat
kiem AF , = F„-F
= 668 - 581 = 87 N .
R o z w i ą z a n i e :
W e d ł u g r y s u n k u 5. lOa p r z y z a d a n e j t e m p e r a t u r z e T= 4 0 ° C , ś r e d n i c y
d0i
2
3
drutu d = 4 m m i n a p r ę ż e n i a c h r„ = (8 • F„ • D)/(n • ) = (8 • 6 6 8 • 3 2 ) / (ji • 4 ) = 851 N / m m w z g l ę d n a utrata sil A F / F„ = 7 % , a z a t e m AF„ = 0 , 0 7 • 6 6 8 = 4 7 N < A F n
d o p
= 87 N .
Z A D A N I E 5 . 4 . D l a s p r ę ż y n y z a p r o j e k t o w a n e j w z a d a n i u 5.2 w y z n a c z rozpiętość cyklu naprężeń t
kH
dopuszczalną
i r o z p i ę t o ś ć c y k l u o b c i ą ż e ń F-F, i r o z p i ę t o ś ć c y k l u u g i ę ć
Sf-s„ p r z y j m u j ą c w s p ó ł c z y n n i k p o p r a w k o w y n a p r ę ż e ń k
F
= (w + 0 , 5 ) / (w - 0 , 7 5 ) =
2
=
(4 +
0,5)
/ (4 -
0,75)
=
R o z w i ą z a n i e :
W e d ł u g r y s u n k u 5.10b d o p u s z c z a l n a rozpiętość c y k l u n a p r ę ż e ń x
=
2
=
1,38,
naprężenie
maksymalne
x
r„ Ik
= 851/1,38 = 617 N / m m
cyklu
k2
=
i trwałość o g r a n i c z o n ą N > 10 sprężyny kulowanej. 7
kh
= 3 0 0 N / m m , a z a t e m siła F = 6 6 8 / 1 , 3 8 = 4 8 4 N ; F , = F 2
2
2
- 300)/617 = 249 N , co oznacza, że F - F 2
(x
k2
- &x )h kh
= 484 (617 -
k2
= 4 8 4 - 2 4 9 = 2 3 5 N ; oraz s - s
x
2
-Fy)IR
= 235/9,368 = 25 tum.
5.3.
Obliczenia i kształtowanie sprężyn talerzowych
t
= (F
2
-
Sprężyny talerzowe wyróżnia zdolność przenoszenia znacznych obciążeń przy niewielkich wymiarach. Zwartość konstrukcji sprężyny w kierunku osiowym ogranicza jednocześnie jej ugięcie maksymalne, co prowadzi do znacznych sztywności. Ugięcie i sztywność można jednak kształtować, łącząc pojedyncze sprężyny w zespoły sprężyn prowadzonych w tulei lub na trzpieniu. Pojedyncze sprężyny znalazły zastosowanie do napinania sprzęgła, kompensa cji luzu w łożyskach tocznych. Zespoły sprężyn są stosowane jako elementy napi nające sprzęgieł ciernych, wykrojników i tłoczników, w oprzyrządowaniach, dźwigniach, zaworach, jako sprężyste elementy zawieszeń pojazdów szynowych i drogowych oraz w zawieszeniach fundamentowych ciężkich maszyn. Charakterystyka sprężyn pojedynczej i zespołowej Sprężyny talerzowe są wytwarzane w dwóch odmianach konstrukcyjnych (rys. 5.15): bez powierzchni podporowych (kształtowane na zimno przy grubości / < 4 mm (rzadziej 6 mm)) i z powierzchniami podporowymi (kształtowane na gorąco przy grubości / > 4 m m ) .
Rys. 5.15. Dwie odmiany sprężyn talerzowych: a) bez powierzchni podporowych, b) z ukształto wanymi powierzchniami podporowymi
Charakterystyka sprężyny F(s) jest degresywna, określona wielomianem trze ciego stopnia F = a • s - a • s + a • 5 przy stałych a > 0; a > 0; 03 > 0. Cha rakterystykę pojedynczej sprężyny talerzowej bez powierzchni podporowych wy raża zależność Almena-Laszlo: 2
x
2
3
2
t
2
4E
F ••
S
/
t
t
gdzie: h - maksymalne ugięcie (hę, = L U - i), a będący funkcją a(8) stosunku średnic 8 = DJ D 0
(5.19)
2t
0
j
współczynnik obliczeniowy
,2
8-1
1 a
8
=
s T 8+[
-
2 (5.20) \nS S-l Z tej zależności F(s) można wyznaczyć sztywność sprężyny R(s) i pracę sprę żyny W(s): 71
R=
dF
4E
f
ds
.
3
s
W = JF-ds =
+
t
2
2
+1
2
2E l-FU
o
A . £
t
aDi
s
+1
(5.22)
2t
aD;
Sprężyna ulega spłaszczeniu, gdy s = h . Wówczas siła F 0
F.._ ""
(5.21)
s=h
blokująca talerz:
4E l-/r
aD'
t
e
Przebieg funkcji F(s) zależy od stosunku /)„//, który jest stały dla określonej konstrukcji sprężyny. Ze wzrostem tego stosunku wzrasta siła blokująca. Na ry sunku 5.16 przeanalizowano zmiany obciążenia względnego FIF
w funkcji
s=h
względnego ugięcia s/h
0
dla różnych wartości stałej wymiarowej h 11 określo Q
nej konstrukcji, określającej pochylenie talerza. Sprężyny o stosunkowo małych wartościach stałej h It = 0...0,75 mają charakterystykę ąuasi-liniową, wykorzy 0
stywaną w budowie typoszeregów znormalizowanych sprężyn. W założeniach normalizacji w DIN 2093 przewidziano trzy szeregi normalizacyjne: szereg A sprężyn liniowych o stosunku h 11 = 0,4 ; szereg B sprężyn quasi-liniowych 0
o stosunku h I1 = 0,75 ; szereg C sprężyn nieliniowych degresywnych o stosunku 0
h I1 = 1,3, w których dodatkowo stosunek 8 = DJD 0
zację
t
pochłoniętej
energii
sprężystej
(pracy
W).
~2 zapewnia maksymali Sprężyny
o
stosunku
h It - 0,75. ..42 mają już wyraźnie nieliniową degresywną charakterystykę. Przy 0
dalszym wzroście tego stosunku h It =yJ2...2^2 występują dwa ekstrema w punktach przegięcia zależności F(s), w których występują gwałtowne skokowe zmiany ugięcia (niestateczność sprężyny na odcinku m-o powiązana z przewinię ciem talerza). 0
Rys. 5.16. Charakterystyka sprężyny talerzowej w zależności od stosunku wymiarowego hjt
W zespołowych sprężynach talerzowych (rys. 5.2-5.4) połączenie równoległe sprężyn w tzw. wiązkę stosuje się w celu uzyskania wzrostu obciążalności lub sztywności, a połączenie szeregowe sprężyn w tzw. kolumnę - w celu uzyskania wzrostu podatności. Są stosowane także układy kombinowane kolumny zespołów sprężyn z ustawionych na przemian wiązek talerzy. W obliczeniach zespołowych sprężyn z liczbą n równolegle połączonych sprę żyn w wiązce (n = 2...4) i liczbą / wiązek szeregowo połączonych w kolumnę (przy i > 8 zmniejsza się wytrzymałość zmęczeniowa) wielkości obliczeniowe siły F , ugięcia s , sztywności R , pracy W- i wysokości nieobciążonej sprężyny zespo łowej LQ wyznacza się z następujących zależności: s =i-s; F =n-F ; R =n-R/i; W =i-n-W ; L =i-[l +(n-l)-t] (5.23) Tarcie na powierzclmiach stożkowych talerzy i na powierzchniach podpierają cych i prowadzących w sprężynie zespołowej wywołuje rozpraszanie energii, nierównomierność obciążenia poszczególnych sprężyn i zmniejszenie wytrzyma łości zmęczeniowej. z
z
2
z
z
z
L
2
0
0
Wytrzymałość sprężyn talerzowych Naprężenia obwodowe wyznacza się w charakterystycznych punktach krawę dzi I, II, III, IV (rys. 5.15). Na zewnętrznej powierzchni talerza występują naprę żenia ściskające, a na wewnętrznej rozciągające (rys. 5.16).
NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE
NAPRĘŻENIA ROZCIĄGAJĄCE
D„ = 2 r
p
Rys. 5.17. P.ozklad naprężeń w sprężynie talerzowej
Największe wartości naprężeń występują na ściskanej powierzchni zewnętrznej talerza przy krawędzi obrzeża wewnętrznego w punkcie I. Obliczeniowa wartość naprężeń <7 w tym punkcie: {
4E er,
1-
R
aD„
1
/
2/
(5.24)
+ r
gdzie współczynniki, i y są funkcjami stosunku średnic 5 • DJDf. 6 ( 8 - 1 ^ 1 _6_ S-\ \\\8 ) ' ^ 7t \nS' InS 2 71 \\\8
(5.25)
Wartość naprężeń er, jest miarodajna do wyznaczenia dopuszczalnego obcią żenia statycznego (liczba cykli obciążenia A' < 10) i obciążenia ąuasi-statycznego 4
rzadko zmiennego (liczba cykli obciążenia TV < 10 ). Wówczas wartość naprężeń: er, < cr oraz
2
dop
a, < cr
= 2000 - 2400 N / m m przy 5 = 0,75/?
0
2
dop
= 2600 - 3000 N / m m przy s = h
u
Podane wartości naprężeń dopuszczalnych dotyczą często stosowanych mate riałów sprężyn talerzowych: stali węglowych 65 (małe sprężyny przy s < 2 mm), stali chromowo-wanadowych 50 HF (a > 2 mm) i stali krzemowo-manganowo-chromowych 60 SGH (s > 2 mm). Stal 50 HF (50 CrV4 wg DIN) jest podstawo wym materiałem do wytwarzania sprężyn w większości państw europejskich przy pracy w temperaturze do 250°C. Przy wymaganej odporności na korozję stosuje się stale nierdzewne (np. X12 Cr Ni 177), brązy fosforowe (np. SnBe6) lub brązy berylowe (np. CuBe2).
W sprężynach talerzowych przy obciążeniu zmiennym z ograniczoną trwało ścią zmęczeniową (10" < A < 2 - 1 0 ) i nieograniczoną ttwałością zmęczeniową ( N > 2 • 10 ) miarodajne są naprężenia w punktach II lub III na rozciąganej we wnętrznej stronie talerza, gdzie występują pęknięcia zmęczeniowe, pomimo że wartości tych naprężeń są z reguły mniejsze niż naprężeń ściskających w punkcie I. Korzysta się wówczas z wykresów zbiorczej wytrzymałości zmęczeniowej podanych w DIN 2093. Po wyznaczeniu większej wartości naprężeń o w jed nym z dwóch punktów, II lub III, określa się rozpiętość cyklu naprężeń o = a - o i porównuje ( a < c ; a
ft
6
2
h
5.4.
2
{
2
M A X
h
H
m a x
H
Sprężyny elastomerowe (gumowe)
Materiałem na sprężyny elastomerowe jest naturalny lub syntetyczny kauczuk i inne wielkocząsteczkowe polimery. Sprężyny te są stosowane jako proste zde rzaki swobodnie ukształtowane lub gumowo-metalowe elementy sprężyste z wul kanizowanego połączenia elastomeru z metalowymi płytkami lub tulejkami. Gu ma jest elastomerem, nie dotyczy to jednak twardej gumy. Materiały elastomero we (gumy) wykazują bardzo wysoką odkształcalność sprężystą dzięki małej sztywności materiałowej (małe wartości modułów E i G). Tę podatność można kształtować, gdyż moduły sprężystości są silnie zależne (rys. 5.18) od Shore'a -- A twardości (zwykle 32+80 Shore - A). Guma jest nieściśliwa. Może zmieniać swój kształt, lecz jej objętość nie ulega zmianie. Przyjmując warunek nieściśliwości (w materiale izotropowym współczynnik Poissone'a v = 0,5), można założyć, że stosunek modułów E/G =2(1 + v ) = 3. Podstawowe właściwości elastomerów scharakteryzowano w tabeli 5.5. b) 3,4
2,4
1 2,0
il
1,6 1,2 0,8
(i i
//
0,5
1,0
1.5
współczynnik kształtu k~d/4g
2,0
0 30
2,6 2.2 1,6 1,4
0,4 0
3,0
50 70 twardość Sb-A
1,0 90
Tabela 5.5. Właściwości elastomerów
Właściwość O d p o r n o ś ć na oleje i smary O d p o r n o ś ć na starzenie
Elastomer NR
SBR
EPDM
11R
CR
AU
NBR
ACM
VMQ
FMQ
FPM
zla
zla
zla
zla
śr.
db
db
db
db
db
Db
śr.
śr.
db
db
db
db
śr.
db
db
db
Db
zła
zla
dob.
śr.
śr.
śr.
śr.
śr.
śr.
śr.
śr.
70
100
140
140
100
90
110
130
200
200
200
db
-
db
zla
-
db
-
zla
-
db
db
śr.
śr.
db
db
db
śr.
zla
zla
Db
db
db
śr.
śr.
db
śr.
db
zla
zla
zla
zla
db
db
śr.
zla
db
zla
db
śr.
zla
zła
zla
1-2
1-2
1-2
2-3
2-3
4-6
1-3
5-7
10-14
120
30-40
O d p o r n o ś ć na warunki atmosferyczne Odporność termicznafC] Sptężystość Wytrzymałość mechaniczna Podatność do obróbki Czas wulkanizacji Wskaźnik kosztu
Zla
Oznaczenia kauczuków (wg łSO): NR - naturalny; SBR - butadienowo-styrenowy; EPDM - etylenowo-propylenowy; 1 IR - butylowy; CR - chloroprenowy; A U - poliuretanowy; NBR - nitrylowy; ACM - akrylowy; VMQ - silikonowy; FMQ - fluoro-silikonowy; FPM - fluorowy. Skala właściwości: zła; śr. - średnia; db - dobra.
Charakterystyka zależności naprężenia a od odkształcenia e ściskanej sprężyny gumowej jest nieliniowo progresywna (rys. 5.18) i zależna od współczynnika kształtu k walcowego korpusu sprężyny: A
2
A
F
s
_ n-d /4 %-d-h
_ d 4h
gdzie: A -- pole powierzchni obciążonej ściskaniem; A - pole swobodnej po wierzchni. Ta charakterystyka a(e) odpowiada charakterystyce obciążeniowej F(s) przy umownej definicji naprężenia ściskającego: a = F! A = FI A -(h I h) = a - [1 - ( . ? / / ? ) ] - ( F I A ) • ( } - £ ) jako stosunku siły F odniesionej do początkowej powierzchni przekroju Ag i od kształcenia względnego e = s/h jako stosunku ugięcia do początkowej długości ściskanego elementu gumowego (rys. 5.19). Ścinanie jako forma deformacji jest szeroko wykorzystywane w sprężynach gumowych. Zależność naprężeń ścinają cych r od kąta ścinania y jest liniowa ( r = G • y) i pozostaje w zgodności z ekspe rymentem także w zakresie dużych kątów y ścinania (s/h) = 0,5. Przyjmując r = FJ A oraz y ~ tgf = s I h , można ponownie stwierdzić, że charakterystyka naprężeniowa r(y) odpowiada charakterystyce odkształceniowej F
s
F
Q
F
Q
0
do{>
t
f =(G- Alh)-s,.
Właściwości materiałów elastomerowych przedstawiono
na
rys. 5.20.
Rys. 5.19. Charakterystyka naprężenie-odksztalcenie sprężyny elastomerowej ściskanej (a) lub ścinanej (b)
1
Rys. 5.20. Zmiany charakterystyk i innych właściwości ściskanej sprężyny gumowej: a) zmiany charakterystyki obciążeniowej F(s) w zależności od liczby cykli N obciążenia przy stałej charakte rystyce odciążenia; b) zmiany charakterystyki ugięcia s w funkcji czasu / związane z pojawieniem, się odkształceń trwałych; c) zmiany charakterystyki obciążeniowej F(s) przy pełzaniu w zależno ści od liczby cykli N obciążenia; d- zmiany odkształceń trwałych w funkcji liczby cykli obciąże nia; e) zmiany dopuszczalnego ugięcia względnego (s/h)^ w zależności od częstotliwości zmian obciążenia; f) temperaturowe zmiany modułu sprężystości E op
Materiały elastomerowe wykazują: (1) nieliniowe odkształcenia lepkoplastyczne (moduły sprężystości E i G są zależne od prędkości odkształcenia); (2) brak możliwości całkowitego odzyskania włożonej energii obciążenia (tarcie we wnętrzne); (3) wysokie tłumienie zależne od odkształcenia (współczynnik tłumie nia £ = 5+30% jest cechą konstrukcji określonego wytwórcy). Zamiana części energii (do 30%) na pracę tarcia wewnętrznego wywołuje przy wysokich częstościach drgań lub wysokich amplitudach silne rozgrzanie materia łu. Tłumienie drgań i uderzeń jest główną funkcją sprężyn (np. fundamentowych lub sprzęgieł elastycznych). Odprowadzenie ciepła jest złe z racji izolacyjności cieplnej elastomerów. Starzenie materiałów elastomerowych zachodzi pod wpły wem czynników zewnętrznych (gazy, pary, ciepło, światło, promieniowanie) i powoduje mięknienie gumy naturalnej i twardnienie gumy syntetycznej. Guma wykazuje przy długotrwab/m obciążeniu skłonność do pełzania, która zanika po kilku dniach. Wykazuje także skłonność do płynięcia przy zmiennym obciążeniu przy liczbie cykli zmian obciążenia TY < 0,5 10 i dodatkowego osiadania (10+20% odkształceń sprężystych). Charakterystyka sprężyn jest krzywoliniowa, a dla małych odkształceń - li niowa (sztywność c = const). Przy zmiennym obciążeniu (Zidyn^stat;) występuje wzrost sztywności ę = c /c = E /E^, który jest zależny od twardości gumy: 6
Ayt
i)/V
1,15 40
Shore - A
1,60
1,30 50
2,20 70
60
Dynamiczna sztywność sprężyny zależy również od częstości drgań i wartości obciążenia. Przy drganiach do 50 Hz można dynamiczne moduły E i G przyjmo wać o 20%) większe niż statyczne, powyżej 50 Hz - większe o 50%. Sposób wyprowadzenia podstawowych wielkości obliczeniowych podano na rys. 5.21 dla dwóch przypadków obciążenia sprężyn: ścinania równoległego tulejowej sprężyny elastomerowej i skręcania tulejowej sprężyny elastomerowej (przy płaskich powierzchniach czołowych). Przy równoległym ścinaniu (rys. 5.21 a) tulejowej sprężyny jej ugięcie j i sztywność R można wyrazić następująco: r F 1 ds t g r - r = - = G
—
T
G
2%rn G F '}dr
J
Inhg =
'
F s
f
JJ rr
R
=
—
dr F , r•InInhg r x
Inhg
=
" hA 1
a przy skręcaniu (tys. 5.2lb) sprężyny o płaskich powierzchniach czołowych kąt skręcenia
Rys. 5.21. Podstawowe wielkości obliczeniowe dla dwóch przypadków obciążenia sprężyny ela stomerowej: a) ścinania równoległego tulejowej sprężyny elastomerowej; b) skręcania tulejowej sprężyny elastomerowej (przy płaskich powierzchniach czołowych)
Przykłady węzłów konstrukcji z zastosowaniem sprężyn elastomerowych przedstawiono na tys. 5.22.
Rys. 5.22. Podpory podatne silnika: (a) i gumowy amortyzator sprężystego zawieszenia maszyny drążek skrętny (b)
Na. rysunku 5.23 przedstawiono zbiór rozwiązań konstrukcyjnych (firny Carl Freudenberg) sprężyn elastomerowych stosowanych jako podpory przegubowe (a) i zderzaki (b) oraz zbiór podatnych gumowo-metalowych elementów sprężystych stosowanych jako podpory zawieszeń podatnych (d-h).
fl)
f2)
gl)
g2)
h)
Rys. 5.23. Sprężyny elastomerowe i gumowo-metalowe elementy sprężyste: a l , a2, a3) amortyza tory ściskane i ścinane; b l , b2, b3) zderzaki więzi sprężystych mas z luzami; c) amortyzator ukształtowany jako podwójna U - podpora ściskana i ścinana; d) zblokowany przegub zawiesze nia; e l , e2) zespołowe amortyzatory płaskie; f l , f2) przeguby tulejowe o znacznym stosunku promieniowej sztywności w stosunku do sztywności osiowej; g l , g2) promieniowo-skrętne prze guby zawieszenia typu Silentblock; h) podpora sprężysta pracująca przy ściskaniu i ścinaniu lub sprzęgło elastyczne
W przeglądzie najczęściej stosowanych sprężyn elastomerowych i metod ich obliczeń inżynierskich (tab. 5.5) uwzględniono obliczenia pięciu rodzajów sprę żyn pracujących przy ściskaniu, ścinaniu lub skręcaniu.
Tabela 5.5. Przegląd najczęściej stosowanych sprężyn elastomerowych i podstawy ich obliczeń [4, 5, 13] Rodzaj sprężyny Zderzak gumowy przy osio w y m ściska niu
4Fh
nd'
r,
dop 2
Współczynnik kształtu: k =
F\n{d /d,) 7
s=
-ln
"dop
;K/ /4
d_
izdh
4h
F F —•—; t = itd h nd 2 h
—— ; r,
2
l
Sprężyna tulejowa przy osio w y m ściska niu
Uwagi
Zależności obliczeniowe
Postać i obciążenie sprężyny
!op '
Zalecany zakres: S = (0-0,2)A - przy obciążeniu statycznym 5 = ( 0 - 0 , 1 ) / ; - przy obciążeniu trwałym (pełzanie)
Charakterystyka liniowa w zakresie: y, = i < 0 , 3 6
(y,<20°)
Cr Sprężyna o stałej wytrzymałości, gdy: h\d\^h d2 (TI= r ) wówczas l
2
F(d -d ) 2
s =
x
1
—- —
.
Id^h^Gn (d -d,
)
2
Zalecany zakres: s < 0,35] —
>, Sprężyna płytkowa przy równolegbym ściskaniu
_ F
F t
do
P
_ =
G
b
h
F
_r
"/dop;
Uwaga: b - szerokość
s
2
J
Charakterystyka liniowa w zakresie s/t = tg y < 0,36. Zalecany zakres: s < 0,35/
Sprężyna tarczowa przy skręcaniu
Charakterystyka liniowa w zakresie:
2ATu 2u x =(p
"^do
s
2 t
(t./t, = d,/d,L Sprężyna tulejowa przy skręcaniu
,
2
n{d^-d^)G
%G(d\ 'dop
-d^) op '
12 1
T
Charakterystyka liniowa dla: y
1
d o p
l
A
2
^ 1 W/,
3277
Gdy r = / i = / , t o :
A
2
^
2
"
2T '2 - ~ T 2 T
Id}
izd^h
ndfh
;
Tdop *
'/•do, Zalecane wartości naprężeń dopuszczalnych
Rodzaj obciążenia ściskanie ścinanie równolegle ścinanie skrętne
D O P
LUB
statyczne
x
doB
[N/mm ] dynamiczne
0,8-1
0,8+1
0,3-0,4
0,3-0,45
0,35+0,45
0,2+0,3
5.5.
Sprężyny gazowe
Sprężyny gazowe można podzielić na sprężyny zwykle i sprężyny z blokadą [13]. Głównymi funkcjami zwykłych sprężyn gazowych jest równoważenie lub tylko odciążanie sił i (lub) momentów sił ciężkości bądź aktywacja mechanizmów bezpieczeństwa. Sprężyny gazowe zapewniają wspomaganie siły mięśni człowie ka, kontrolowany przesuw, duże siły przy małych rozmiarach sprężyny. Sprężyny gazowe są stosunkowo podatne na długiej drodze ugięcia roboczego. Typowymi zastosowaniami tych sprężyn są klapy, luki, drzwi i pokrywy w pojazdach, klapy wentylacyjne, siedziska i oparcia foteli oraz podnośniki stołów. Sprężyna gazowa (rys. 5.24) składa się z (1) cylindra wykonanego z precyzyjnej rury stalowej za kończonego (2) głowicą mocującą (także z zaworem), (3) wypełnionego azotem i (4) małą ilością smarującego i dławiącego ruch oleju w pozycjach skrajnych oraz amortyzującego drgania, (5) tłoka, z.(6) dławiącymi otworami dla regulacji pręd kości ruchu w skrajnych pozycjach; połączonego z (7) chromowanym tłoczyskiem prowadzonym w uszczelnionej, zintegrowanej (8) dławnicy. Dokładne uszczel nienie przestrzeni gazowej warunkuje funkcjonalność sprężyny gazowej w okresie trwałości. 2
3
m
1
4
5,6
8
7
1 / {
Rys. 5.24. Sprężyna gazowa [10]: 1 - cylinder; 2 - głowica mocująca; 3 - azot; 4 - olej; 5 - tlok; 6 - otwory dławiące; 7 - tłoczysko; 8 - dławica
Sprężyny gazowe z blokadą Varilock [13] (tys. 5.25) oprócz spełniania typo wych funkcji odciążania pozwalają uzyskać unieruchomienie elementu ruchome go w zadanym położeniu. Są one stosowane w meblarstwie, w sprzęcie sporto wym, medycznym i rehabilitacyjnym, w przemyśle samochodowym (np. w siedzi skach foteli, oparciach wózków inwalidzkich, podnośnikach stołów). Sztywne blokowanie uzyskuje się przez jednoczesne zastosowanie układu pneumatycznego rozciągającego sprężynę i dodatkowego olejowego układu hydraulicznego bloku jącego tłok. Układy sprężyny gazowej i blokady hydraulicznej współdziałają, przy czym komory olejowe po obu stronach tłoka są połączone zaworem. Gdy zawór jest otwarty, przepływa przez niego olej. Sprężynę blokuje zamknięcie zaworu. Wysuwanie tłoka powoduje sprężanie gazu w hermetycznie zamkniętej komorze wewnętrznej.
6
5
4
3
2
1
Rys. 5.25. Sprężyna gazowa z blokadą [10]: 1 - głowica mocująca, 2 - medium gazowe, 3 - tłok rozdzielający, 4 - medium hydrauliczne, 5 - zawór, 6 - dlawnica uszczelniająco-prowadząca
Sztywność sprężyny gazowej jest relatywnie mała. Siła gazowej sprężyny na ciskowej (F = F ±F ) jest wynikiem siły oddziaływania ciśnienia gazu F przy g
l
g
wciskaniu tłoczyska i siły tarcia F, (F = F +F ). g
Siła F progresywnie narasta
t
g
w wyniku sprężania gazu. Przy stosunku objętości K
V
dp _
czyli
dK
\v
Po
n•p V
można wyznaczyć siłę sprężyny (przy F, ~ 0 mamy F = F ): g
F = JA • dp =A • (p -p„) = A• g
JEJ
P o
• [(VJV)»
- 1 ] = A • p„. •
\^—±j^-\\
U G I Ę C I E :
s = V -(\-VIV )/A a
=
0
hi\-(^y"i
i sztywność: ds
-(dV/A)
dV
V
gdzie: n - wykładnik politropy (n = 1,4 dla adiabatycznej przemiany przy wyso ce dynamicznym obciążeniu; n = 1 dla izotermicznej przemiany przy powol nych zmianach obciążenia), A - pole przekroju; p i p - odpowiednio ciśnienie początkowe i końcowe; V -A-h i V = A-(h-s) - odpowiednio objętość po czątkowa i końcowa komory gazowej, F i s - odpowiednio siła oddziaływania gazu i ugięcie sprężyny; F, - siła tarcia w uszczelnieniach dławnicy. Przy wyciąganiu tłoczyska siła tarcia zmniejsza czynną siłę oddziaływania sprężyny (F = F -F ). Charakterystyka sprężyny wykazuje zatem histerezę. n
0
g
t
b) gaz lub dopływ powietrza płyta oporowa tłok
V
I
P
miech
I płyta , oporowa -cylinder
£222
Rys. 5.26. Gazowa lub powietrzna sprężyna: a) tłokowa, b) mieszkowa (ciśnienie, F - siła, V objętość, s - ugięcie, A - powierzchnia działania)
Przy płaskiej charakterystyce sprężyny gazowej (rys. 5.27) występuje tylko tiiewielki wzrost siły przy jej ściskaniu na długiej drodze pracy. Przy wstępnym ciśnieniu p tłoczysko jest wysunięte. Po przyłożeniu zewnętrznej siły F następuje wsuwanie tłoczyska i wzrost ciśnienia gazu do wartości p. Wartość ciśnienia wstępnego p pozwala regulować w szerokich granicach siłę F (np. od 200 do 1000 N). 0
0
Rys. 5.27. Charakterystyka sprężyny gazowej: obciążenie Ff-F ; 3
odciążenie
F ~F t
2
Przez wypełnienie rury cylindra gazem pod wymaganym ciśnieniem p uzy skuje się obciążenie wstępne F . Zmianę siły roboczej F określonej konstrukcji 0
0
sprężyny gazowej uzyskuje się przez zmianę stopnia napełnienia gazem. Zwykle maksymalna dopuszczalna temperatura robocza wynosi +80°C. Przy każdej zmia nie temperatury względem wartości znamionowej (20°C) następuje zmiana siły (wg danych firmy Stock Springs zmiana Ar/r = ± l ° C odpowiada zmianie siły A F / F = ±0,34%). Sztywność sprężyny R maleje (R < R\) ze wzrostem tempe ratury absolutnej T > 7j przy przemianie izobarycznej, gdy ciśnienie p i ze wnętrzne obciążenie F są stałe: R\/R = r2/T, 2
2
2
2
W cyklu roboczym gaz jest sprężany, co zwiększa siłę reakcji. Sprężyna gazo wa zawiera także pewną objętość oleju. Zmiana ilości oleju pozwala modyfikować stopień rozciągnięcia. Prędkość rozciągania jest sterowana układem zaworów. 5.6.
Literatura
[I]
Branowski B.: Sprężyny metalowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997. Branowski B.: Metalowe elementy sprężyste, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1988. Decker K-H.: Maschinenelemente, Carl Hanser Verlag, Muencben-Wien 1992. Dubbel: Taschenbuch flir den Maschinenbau, 19 Auflage, Springer, Berlin 1997. Goebel E.F.: Gummifedem, Berechnung und Gestaltung, Konstruktionsbuecher Band 7, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1969. Grajnert J.: Izolacja drgań w maszynach i pojazdach, Oficyna Wydawnicza Poli techniki Wrocławskiej, Wrocław 1997. Industrie-Stossdaemper, Katalog ACE Stossdaemper GmbH, Langenfeld 2005. Jaworski J.: Guma w pojazdach mechanicznych, wyd. 2, WKiŁ, Warszawa 1976. Meissner M., Wanke K.: Handbuch Federn, VEB Verlag Technik, Berlin 1988. Mubea-Tellerfedem. Handbuch, Muhr und Bender, Attendorn 1992. Pękalak M., Radkowski S.: Gumowe elementy sprężyste, Państwowe Wydawnic two Naukowe PWN, Warszawa 1989. Steinhitper W., Roeper R.: Maschinen- und Konstruktionselemente 3, Elastische Elemente, Federn, Achsen und Wellen, Dichtungstechnik, Reibung, Schmierung, Lagerungen, Erste Auflage, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New YorkLondon 1994. Stock Spring, Katalog sprężyn nr 12, Lesjoefors Stockholms Fjaeder AB, 2003. Tevema Spring Catalogue, Tevema Technical Supply B.V,, Amsterdam 2004.
[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [II] [12]
[13] [14]
Normy [15] [16]
[17]
PN-85/M-80701 - Sprężyny śrubowe walcowe z drutów lub prętów okrągłych. Sprężyny naciskowe. Obliczenia i konstrukcja. DIN 2089 T.H2 - Zylindiische Schraubenfedem aus runden Draehten und Staeben. Teil 1: Berechnung und Konstruktion von Druckfedern, Teil 2: Berechnung und Konstruktion von Zugfedern. PN-85/M-80702 - Sprężyny śrubowe walcowe z drutów lub prętów okrągłych. Sprężyny naciągowe. Obliczenia i konstrukcja.
[18]
PN-65/M-80703 -
Sprężyny śrubowe skrętowe z drutów okrągłych.
Wymiary
i obciążenia. [19]
D I N 2088 - Zylindrische Schraubenfedern aus ninden Draehten und
Staeben.
Berechnung und Konstruktion von Drehfedern. [20]
P N - 7 3 / M - 8 0 7 0 7 - Sprężyny talerzowe.
[21]
D I N 2092 - Tellerfedern. Berechnung.
[22]
PN-71/M-80706 -
Sprężyny śrubowe walcowe naciskowe z drutów
stalowych
okrągłych. W y m i a r y i obciążenia. [23]
DIN 2098 Bl. 1 - Zylindrische Schraubendruckfedern aus runden Draehten und S t a e b e n . T e i l i : B a u g r o e s s e n fuer k a l t g e f o r m t e D r u c k f e d e r n a b 0,5 m m D r a h t durchmesser.
[24]
D I N 2 0 9 3 - T e l l e r f e d e r n . M a s s e , Werkstoff. E i g e n s c h a f t e n .
[25]
PN-88/M-80705 - Sprężyny zaworowe. Ogólne wymagania i badania.
[26]
D I N 2 0 9 5 - Zylindrische Schraubenfedern aus runden Draehten.
Gueteanforde-
r u n g e n bei kaltgeformten Druckfedern. [27]
DIN 2 0 9 6 T.l i 2 - Zylindrische Schraubenfedern aus runden Draehten u n d Stae b e n . T e i l l : G u e t e a n f o r d e r u n g e n bei w a r m g e f o r m t e n D r u c k f e d e r n , Teil 2: G u e t e a n f o r d e r u n g e n fuer G r o s s s e r i e n f e r t i g u n g .
[28]
D I N 2097 - Zylindrische Schraubenfedern aus ninden Draehten. Gueteanforder u n g e n fuer k a l t g e f o r m t e n Z u g f e d e r n .
Zagadnienia kontrolne 1.
P o d a j g ł ó w n e funkcje i w ł a ś c i w o ś c i k o n s t r u k c y j n e s p r ę ż y n m e t a l o w y c h i e l a s t o m e
2.
Podaj ogólny podział sprężyn metalowych i elastomerowych.
rowych. 3.
Wyjaśnij znaczenie charakterystyki obciążeniowej, sztywności i pracy sprężyny.
4.
Przedstaw charakterystyki różnych zespołów sprężyn.
5.
P o d a j z a s t o s o w a n i a r ó ż n y c h t y p ó w s p r ę ż y n z ich c h a r a k t e r y s t y k a m i .
6.
P r z e d s t a w i s c h a r a k t e r y z u j c e c h y m a t e r i a ł o w e stali s p r ę ż y n o w y c h .
7.
Przedstaw obliczenia oraz konstrukcję śrubowej sprężyny walcowej naciskowej.
8.
Przedstaw geometryczne cechy konstrukcyjne sprężyny naciskowej.
9.
Scharakteryzuj sprężyny elastomerowe, podaj przykłady zastosowania.
10. P r z e d s t a w b u d o w ę i c h a r a k t e r y s t y k ę s p r ę ż y n y g a z o w e j .
6. WAŁY I OSIE
NAPĘD DWÓCH WCIĄGAREK Leonardo da Vinci, Codex Atlaniicas,
6.1.
c. 1478
Definicje
Wały i osie są elementami maszynowymi spełniającymi funkcje: przekazywania energii mechanicznej w ruchu obrotowym lub oscylacyjnym (momentu obrotowego i sił wzdłużnych), • podpierania osadzonych na nich elementów i • nadania im geometrycznej osi obrotu. Oś jest przeznaczona tylko do ukierunkowywania ruchu i podtrzymywania in nych elementów (np. krążków, bębnów linowych, rolek napinających, kół samo chodowych). Oś nie przekazuje momentu obrotowego między osadzonymi elemen tami (przy pominięciu momentu tarcia). Oś jest obciążona głównie momentem gnącym, a także siłami. Osie są z reguły proste (krótkie osie nazywamy sworznia mi). Osie mogą być: • stałe, gdy obracają się na nich inne elementy (rys. 6. Ib, 6.2a), • ruchome, gdy same obracają się w łożyskach (rys. 6.1c, 6.2b). •
a)
1 Rys. 6.1. Schematy osi i walów: a) obracający się wal wyjściowy z koleni zębatym; b) oś stalą z obracającym się kołem zębatym pośredniczącym; c) oś ruchoma z obracającym się kołem zęba tym pośredniczącym; d) obciążenie osi ruchomej lub stałej z obracającym się kołem pośrednim
Wal, w odróżnieniu od osi, jest zawsze obracającą się częścią maszyny i służy przede wszystkim do przenoszenia momentu obrotowego. Równolegle pełni funk cje ukierunkowywania mchu i podtrzymywania innych elementów. Wał wykazuje złożony stan obciążenia, wywołany zginaniem i skręcaniem (rys. 6.la, c). Na wale mogą być osadzone różne elementy napędowe (koła zębate, ślimaki, koła ślimako we, pasowe i łańcuchowe, sprzęgła). Dynamiczne lub uderzeniowe momenty skrę cające, występujące w różnych stanach przekazywania mocy, tylko częściowo obciążają wały. Ciężar własny walu jest uwzględniany tylko w projektowaniu tzw. maszyn ciężkich. Na rysunku 6.2 przedstawiono napędy bębna linowego w trzech rozwiązaniach: z wykorzystaniem osi stałej, osi ruchowej i wału.
Rys. 6 . 2 . Napędy bębna linowego z wykorzystaniem: a) osi stałej; b) osi ruchomej; c) walu
6.2.
N a z e w n i c t w o i podział
6.2.1.
Nazewnictwo części walu
Podstawy nazewnictwa technicznego części wału podano w opisie słownym i graficznym (lys. 6.3). Czop - część wału służąca do połączenia mchowego (czop ruchowy - lys. 6.4) lub spoczynkowego (czop spoczynkowy) z gniazdem (otworem) innego elementu (np. łożyska, koła). Czop jest najczęściej nieodłączną częścią określonego elementu (np. wału) wykonaną wraz z nim lub przymocowaną do niego w sposób nieroz łączny (np. przez zgrzewanie). Kołnierz - występ na powierzchni elementu maszynowego (np. wału), otacza jący go na całym obwodzie i służący do oparcia innego elementu (kołnierz oporo wy) lub połączenia z innym elementem (kołnierz złączny). Kołnierz stanowi zwy kle nieodłączną część wału.
czop mchowy (końcowy)
czop ruchowy końcowy
czop spoczynkowy (osadczy)
przejście stożkowe
czoło
końcówka gwintowana
kołnierz
Rys. 6 . 3 . Nomenklatura walów
Przejście - stożkowa, walcowa lub inna część wału łącząca czopy, na której nie są osadzone inne elementy. Przejście służy także do zmniejszenia wpływu spiętrze nia naprężeń w odsadzeniach części wałów lub stworzenia czołowych powierzchni oporowych na wale. Podtoczenie - forma wybiegu narzędzia przy toczeniu. Na rysunku 6.4 przedstawiono różne rozwiązania ruchowych czopów końco wych i spoczynkowych wałów. a)
walcowy zwykły
b)
walcowy z kołnierzem
Czopy ruchowe końcowe
Czopy ruchowe środkowe
walcowy z końcówką gwintowaną
stożkowy
Hi-
kulisty
Rys. 6 . 4 . Podział ruchowych czopów końcowych (a) i środkowych (b)
6.2.2.
Podział wałów i osi
Podział walów i osi przedstawiono w tabeli 6.1.
zewnętrzne
wewnętrzne
Dr
S-
Tabela 6.1. Podział walów i osi Podział
Kryterium Zmiana przekro- gładkie u na długości
kształtowe
EE3
EE Geometryczna oś prostoliniowe
korbowe
walu
B3Przekrój walu
pełne
d
Liczba części walu
jednolite
składane
Sztywność
sztywne
iętkie (wielowarstwowe, wielozwojne zachodzące wzajemnie sprężyście)
Przeznaczenie
wały główne (organów roboczych np. wrzecion obrabiarek, rotorów turbin lub wirników maszyn elektrycz nych^
wały przekładniowe do przekazania i (lub) podziału ruchu
Uwaga: przy stałej średnicy zewnętrznej di wzrastającej wartości współczynnika wydrążenia jj = d /d 0
(np. w konstrukcjach lekkich) następuje korzystne szybsze zmniejszenie masy niż
wytrzymałości ( m i W 0
m
podano dla wału drążonego o /J > o; m,W- dla wału pełnego P=dJd m lm a
= \)-fj-)
W^IW, = ( l - / J " )
0,20
0.40
0.60
0,80
0,85
0,83
0,63
0,37
fi-O):
0,99 0,95 0,88 0,60
6.3.
W y t r z y m a ł o ś ć w a ł ó w i osi
6.3.1.
Wymiarowanie uproszczone osi i wałów
Uproszczone obliczenia projektowe osi i wałów są oparte na znanych zależno ściach wytrzymałości materiałów. Potrzebne wartości wytrzymałości zmęczenio wej podano w tabeli 6.2.
Tabela 6.2. Wartości graniczne wytrzymałości zmęczeniowej przy odzerowo tętniącym i waha dłowym zginaniu i skręcaniu (w N / m m ) 2
Zginanie Materia!
'
Skręcanie 7
z«.
z„
7
Konstrukcyjne stale niestopowe i stale ogólnego przeznaczenia Sl37 St37-2;(S 235 Fe 310) St42; (S 275 Fe 430) St50 St50-2; (S 295 Fe 490) St60 (Fe 590) St70 (Fe 690)
340 360 420 470 520
200 220 260 300 340
170 180 210 230 260
140 150 180 210 240
480 550 620 750 820
280 330 370 440 480
250 300 340 450 550
190 230 260 300 330
940 1040
530 600
630 730
370 420
420 560 700(840) 900 980 1060
280 350 420 550 600 650
210 280 430 450 490 550
180 210 270 300 340 410
Stale konstrukcyjne maszynowe do ulepszania cieplnego C22 C35 C45 40 Mn4, 25CrMo 4, 37Cr4 40H 50CrMo4, 34CrNiMo6, 36CrNiMo4 42CrMo4, 50 CrV4, 51CrV4 30CrNiMo8, 4 0 H M , Stale do nawęglania 15 15H 16HG 17HN 20HNM 18CrNi8, 17CrNiMo8
W projektowaniu wału można przyjąć pewien proces: (1) projektowanie wstęp ne, czyli ukształtowanie wału na podstawie uproszczonych obliczeń wytrzymało ściowych i zadanych wymiarów; (2) obliczenia sprawdzające wytrzymałości zmę czeniowej, sztywności oraz dynamiki; (3) projektowanie ostatecznego ukształto wania wału. W obliczeniach projektowych wstępnych osi i wałów można wykorzystać po niższe zależności: • wymiarowanie osi stałych: a
k
=
s - &i ~~
•
P^y
wymiarowanie osi ruchomych:
**=3+5
(6.1)
a
g
< k
g
0
= ^
przy
^ = 4 +6
( 6
.
2 )
wymiarowanie wałów: (a) uproszczone (z obciążenia skręcania przy pominięciu występującego obcią żenia zginania przy wyraźnie zwiększonym współczynniku bezpieczeństwa): Z. T, < k = - 2 przy x„ = 10 + 1 5 (6.3) sj
(b) uproszczone (z obciążenia skręcającego przy małych obciążeniach zgi nania): Z *,^K -7 Przy * „ = 6 (6.4) =
4 +
W uproszczonych obliczeniach wałów można wykorzystać doświadczenia pro jektowe niemieckiej firmy ATLANTA, z których wynikają obowiązujące zależno ści: (a) ogólnie dla wałów obciążonych giętnie i skrętnie z warunku skręcania:
r . * £ =^ * , = 1 2 N , W W
(6.5)
TC • O
0
d>l,5-\[M
rf[mm];A/[N-m]
(6.6)
(b) dla krótkich wałów przy znikomych obciążeniach zginania i małym działa 2
niu karbu, przy k = 40 N / m m dla stali nieulepszonych i k = 75 N / m m s
s
2
dla stali
ulepszonych, mamy: ri = 5,03 -l[M
przy
d = 4,05 • VA7
A:, = 4 0 N / m m
przy
2
k = 75 N / m m s
(6.7) 2
(6.8)
(c) dla skręcanych wałów (np. transmisyjnych lub napędowych) dla uniknięcia wzrostu momentu w wyniku drgań własnych z warunku skręcania: <j> _ M 32-M > ^ = 0,25-^[rad/mb] (6.9) / G•J G-n-d K
4
0
mamy: d = 13 • VM (przy G = 8 0 0 0 0 N/mm dla stali). Zależności (6.6+6.9) przedstawiono na rys. 6.5, skąd wynika, że wyraźny wzrost średnicy d wału powoduje zwłaszcza ograniczenie jego sztywności skrętnej. 2
10 !4 20 średnica wału d [mm]
30
40
60
00
100
Rys. 6.5. Wyznaczenie średnicy watu w uproszczonych obliczeniach
6.3.2.
Obliczenia projektowe walu z uwzględnieniem wytrzymałości zmęczeniowej
Dla ogólnego przypadku wałów można ujednolicić obliczenia, traktując osie ja ko uproszczoną postać wałów (przy momencie skręcającym M = 0). Naprężenia w wałach i obracających się osiach mają cyklicznie zmienny charakter, co powodu je, że skręcanie materiałów w strefie koncentracji naprężeń.będzie decydowało o wytrzymałości. W wolnobieżnych wałach pracujących z dużymi przeciążeniami kryterium wytrzymałości statycznej może być ważniejsze. s
Obliczenia projektowe są oparte na schemacie walu traktowanego jako belka na podporach przegubowych sztywnych, rzadziej na podporach przegubowych sprę żystych. Przy krótkich podporach, korzystniejszych wytrzymałościowo, lecz o nieznanej charakterystyce sprężystej (łożyska toczne kulkowe i wałeczkowe, łożyska ślizgowe o d/b < 0,6) środek przegubu leży w połowie szerokości łożyska, (rys. 6.6al, a2, b l ) lub jest przesunięty w zależności od kąta działania obciążenia (łożyska stożkowe - rys. 6.6a3 i łożyska kulkowe skośne - rys. 6.6a4). Przy dłu gich podporach ślizgowych (rys. 6.6b2) podpora przegubowa jest położona w środku ciężkości nierównomiernego rozkładu nacisków p . a2
al
77ZZ7& + Z22ZZZ B/2 _.J1
b2
bl (gdy
) /// V//
d/b>0,6)
V), b/2
4^
( )
Rys. 6 . 6 . Wybór punktów podporowych
Na określonym w ten sposób rozstawie wału należy nanieść punkty przyłożenia obciążenia zewnętrznego od osadzonych na wale elementów. Wartości i kierunki obciążenia (najczęściej siły skupione) przy wyraźnej asymetrii nacisków między wałem a piastą rozdziela się na dwie części (rys. 6.7). Siły działające w płaszczyźnie kół (zębatych walcowych o zębach prostych, ciernych, pasowych i łańcuchowych) lub przestrzenny układ składowych sił (koła zębate walcowe o zębach skośnych, stożkowe, ślimakowe) należy sprowadzić do osi wału:
1
0,25 B <
0,5 5 (
F/2
w
F/2
u
Rys. 6.7. Obciążenie walu przy połączeniu wtłaczanym z piastą
•
Przy obciążeniu kół siłami poprzecznymi i momen tem skręcającym (siły w płaszczyźnie) obciążenie wału jest następujące: - siły F, F , - moment skręcający M = F • d 12 . r
s
•
Przy dodatkowym obciążeniu siłą osiową F momentem gnącym M na wał działa: -- siła osiowa F , - moment gnący M = F • d 12.
a
i jej <*2
g
g
F,
<-
a
M,
a
W przypadku gdy działające na wał wektory sił poprzecznych i momentów gnących są położone w różnych płaszczyznach, wówczas należy je rozłożyć na składowe siły i momenty w wybranych, wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Następnie wyznacza się reakcje podpór i buduje wykresy momentów gnących w wybranych płaszczyznach. Sumowanie geometryczne składowych momentów gnących i reakcji pozwala na wyznaczenie wypadkowych momentów gnących i reakcji. Dalszy tok obliczeń ilustruje przykład. Z A D A N I E 6.1. W y z n a c z charakterystyczne średnice walu maszynowego z osadzonym w a l c o w y m k o ł e m o zębach skośnych. Dane geometryczne podano na rys. 6.8, przy c z y m di = 1 1 0 m m , a = 2 0 ° , fi = 1 0 ° . W a l p r z e n o s i m o c P = 10 k W p r z y p r ę d k o ś c i o b r o t o w e j 2
n = 9 5 5 o b r / m i n (co = 1 0 0 r a d / s ) . M a t e r i a ł w a ł u : 34 C r M o 4 (k
ś
= 104 N / m m ) .
L= 160
mm
płaszczyzna xz
r
^
R
Fl
płaszczyzna yz
Rys. 6.8. Rozkład przestrzennego stanu obciążenia walu w dwóch płaszczyznach
Rozwiązanie:
Obliczenia N 1000 Af.
=
—
= •
OJ
2-M.
wstępne: = 100N-m
100 2-100
= 1820N
0,11
d
F = F - - ^ L = 1 8 2 0 - - ^ - = 627N cos/? cos 10° r
F
= F - t g / ? = 1820-tgl0° = 3 2 0 N
fl
.. s 2
=
'
., A-i _ s
t !
F,.-A{L-A)
F -d-A
Z F,.-A{L-A)
2-L F -d-B
a
+
L 670-80(160-80)
AC
•gwl
a
~^.T~~ 320-110-80
=
=
l
160 2-160 = 1 8 0 0 0 N - m m = 18 N - m 670-80(160-80) 320-110-80 M„ , = ^ —i + • = 160 2-160 t
8
2
= 35 600 N m m = 35,6 N m
F • AJL-A) _ 1 2 8 0 - 8 0 ( 1 6 0 - 8 0 ) L r
= 82 8 0 0 N - m m = 7 2 , 8 N - m
160
-\-drl-
•d. 2
M\
= JML+
M
= ^M
2 s
Ml, +M
2
M
zl
= A
gy
2
A/
y 32
7t
+ 72,8
2
= 74,99 N • m
= V35,6 + 7 2 , 8
/74,99 +0,5-100 A/0,5 1 0 0
2
2
2
t 2
= Jl8
2
= 81,04 N • m
= 103,07 N - m ; M
: 70,71 N • m ; k
g0
z 2
2
10-107,82 -10
=Z
go
z 2
=
V21,04
jx , = ^ Zi
2
2
+ 0,5• 1 0 0 = 107,82 N 2
= 160 N / m m ; (x
zo
= 2 + 3):
3
= 18,8 m m
160
A-
^ J l O - 7 0 , 7 1 • 10
3
^
160 S p r a w d z e n i e z w a r u n k u n a s k r ę c a n i e ś r e d n i c y rf = 4 , 0 5 v M = 4 , 0 5 V 1 0 0 = 1 8 , 8 m m . 3
N a r y s u n k u 6.9 p r z e d s t a w i o n o k o n s t r u k c j ę w a ł u z u w z g l ę d n i e n i e m z a s a d k s z t a ł t o w a n i a wałów podanych w następnym podrozdziale.
Rys. 6.9. Konstrukcja wału (z niezakreskowanymi przekrojami współpracujących części maszyn)
( U w a g a : p o d a n e ś r e d n i c e w a ł u , +rf
i promienie zaokrągleń
6
wymiarom normalnym, wymiary wpustów wane, a długości wpustów (p
d o p
=100
l
wi
i l ,
R,+R
wymiarom
odpowiadają
5
i / > x / 2 = 6 x 6 są z n o r m a l i z o 2
2
obliczone z warunku nacisków
w2
2
N/mm ), odpowiadają
/>,x/j,=5x5
konstrukcyjnym
(np.
dopuszczalnych znormalizowanym
długościom czopów końcowych).
6.3.3.
Kształtowanie wałów
Ukształtowanie geometrycznej postaci konstrukcyjnej i układu wymiarów wału wpływa na realizowane przez napęd funkcje, zapewnienie przenoszenia przewidy wanych obciążeń, spełnienie konstrukcyjnych i (lub) technologicznych uwarunko wań oraz wymagań. Kształt wału wynika także z przyjętego materiału, wykorzy stania norm i wymagań transportowych (np. do miejsca montażu). Poprawność funkcjonalna przenoszenia momentów obrotowych wymaga uporządkowania i ukształtowania czopów elementów przenoszenia napędu (sprzęgła, kola zębate i pasowe, wirniki pomp, turbin, silników) i czopów łożysk podpierających i prze noszących siły. a) I
stosunki wymiarowe
I
/
P lepiej
!
— • i A
t/d < 0,1 p/t > 0,5 b)
wgłębienia i/d>0,\
ZŁAGODZENIE KARBU ODSĄDZENIA c)
rowki odciążające ' P
1
Rys. 6.10. Karb odsądzenia i sposoby j e g o złagodzenia
>
k
rowek wpustowy wykonany frezem palcowym
rowek wpustowy wykonany frezem palcowym
I
rowek wpustowy wykonany frezem tarczowym
I
I
Rys. 6.11. Kształtowanie rowków wpustowych
i
V//
!
|-
t źle
sfazowanie i spęczenie krawędzi lub płaskie ścięcie '
i
-Ą
1 1
S
!
!
1
/ /
\' /
0,
/
/ / i / ' ' i i
k 4)
karby odciążające i 71
! i i
i
4
i
!
^
!
!
W
lepiej
i
i
najlepiej
OOO
Rys. 6.12. Zmniejszanie spiętrzenia naprężeń przy kształtowaniu otworu poprzecznego wału
Poprawność obciążeniowa wymaga przenoszenia działających sił i momentów bez uszkodzeń konstrukcji wału (pęknięcie, zbyt duże odkształcenie, drgania łub zużycie) w określonych warunkach i czasie eksploatacji. Rzeczywisty kształt wstępnie zwymiarowanego wału jest opisany na figurze reprezentującej wyideali zowany wał o jednakowej wytrzymałości na złożone naprężenia zginania i skręca-
nia. Wymiary pewnych powierzchni obrotowych rzeczywistego wału wynikają z wymagań normalizacji średnic i długości czopów końcowych walcowych (zbież ności czopów stożkowych), szeregów normalnych średnic i promieni zaokrągleń. Zasady kształtowania (rys. 6.10 + 6.12) określają uporządkowanie w kształto waniu konstrukcyjnych karbów o małym spiętrzeniu naprężeń, wynikających z odsadzeń ustalających oraz odsadzeń swobodnych, gwintów, otworów poprzecz nych i rowków (np. wpustowych). Przykładowo przy spęczaniu kulką krawędzi stażowania otworu poprzecznego wału obserwuje się wzrost wytrzymałości zmę czeniowej o 35%, przy samym sfazowaniu obróbką skrawaniem o 13% (rys. 6.12). Kształt wału jest wyrazem kompromisu między wymaganiami konstrukcyjnymi i technologicznymi: każdy element konstrukcyjny osadzony na wale jest wyposa żony w czop, umożliwiający łatwy - jedno- lub dwustronny - montaż kolejnych elementów. Liczba stopni wałów powinna być minimalna ze względów technolo gicznych (np. gładkie wały cylindiyczne o stałych średnicach w przemyśle motory zacyjnym) i możliwie wielka ze względu na lekkość konstrukcji i oszczędność materiałową (np. wały drążone o jednakowej wytrzymałości). 6.3.4.
Obliczenia sprawdzające wytrzymałości zmęczeniowej i statycznej wałów
W tym miejscu warto przypomnieć dwa cytaty o historycznym, lecz nieprzemi jającym znaczeniu: „Pęknięcie materiału może być także spowodowane wielokrotnie powtarzającymi się wahaniami (obciążenia), które nie przekraczają granicy zniszczenia (statycznego). Różnica naprężeń ograniczająca wahania jest miarą dla zniszczenia powiązań m a t e r i a ł u " (A. Wóhler, 1871).
„Obniżenie wytrzymałości na zmęczenie w porównaniu do wytrzymałości doraźnej jest tym większe, im większa jest amplituda zmian < 7 -- a i zależy w znacznym stopniu od stanu p o w i e r z c h n i " (M.T. Huber, 1958). max
6.3.4.1.
mm
Założenia
Przewiduje się podwójną procedurę obliczeń wału ze względu na wytrzymałość ąuasi-statyczną i zmęczeniową. Obliczenia wałów na podstawie wytrzymałości statycznej są prowadzone na podstawie największego krótkotrwałego obciążenia wyznaczonego na podstawie najcięższych warunków pracy maszyny z uwzględnieniem obciążeń dynamicznych i drgań. Obliczenia zmęczeniowe wałów są prowadzone na podstawie największego długotrwale działającego obciążenia z uwzględnieniem przebiegu obciążenia Licz ba cykli tego obciążenia musi być nie mniejsza niż 10 cykli. Histogram jest wy znaczany ze statystycznej krzywej gęstości rozkładu prawdopodobieństwa lub z wykresu zmian obciążenia w czasie. 3
Założenia obliczeniowe W obliczeniach rozpatruje się wal jako pręt osadzony na dwóch podporach przegubowych 1 i 2 oraz obciążony poprzecznymi siłami i momentami. Głównymi obciążeniami wału są obciążenia zginania i skręcania. Rzadko są uwzględniane siły wywołujące naprężenia rozciągania lub ściskania wału ze względu na ich małą wartość w porównaniu z naprężeniami gnącymi i duży zapas stateczności wyboczeniowej przy ściskaniu. Siły i momenty gnące działające na wał pod różnymi kątami rozkłada się na składowe działające w prostopadłych płaszczyznach XOZ i YOZ. W każdej z tych płaszczyzn wyznacza się reakcje podporowe i siły wewnętrzne, a następnie sumuje sieje geometrycznie. 2
R
*i = V*. *+ l ; * 2 = X +
R
M
h
+
;s =
6
K
10
(- )
W celu uproszczenia geometrycznego sumowania momentów można założyć, że wykres zmian momentów gnących M na długości wału składa się z odcinków liniowych. W większości wałów napędowych i reduktorowych występuje proporcjonalność krótkotrwale działających największych obciążeń, co upraszcza wyznaczenie dłu gotrwale działających obciążeń przy znanym współczynniku proporcjonalności. Przy obliczeniach zmęczeniowych ważny jest charakter cyklu naprężeń. Gdy stałe co do wartości obciążenie zewnętrzne wywołujące zginanie jest nieruchome w przestrzeni, a wał się obraca (tzn. obciążenie obraca się względem wału), wów czas naprężenia gnące są zmienne wg cyklu symetrycznego (np. obciążenia od sił w przekładniach, obciążenia ciężarem kół zamachowych). Moment amplitudy jest równy momentowi obciążeń obracających się wzglę dem wału M = M , gdy stałe obciążenie zewnętrzne obraca się wraz z walem (np. obciążenie wynikające z niewyważenia). Wówczas naprężenia gnące są stałe. Moment średni jest równy momentowi obciążeń nieobracających się względem wału ( M = M „ ) ; gdy obciążenie obraca się z wałem i przy tym zmienia się od A/ do M proporcjonalnie do kąta obrotu, wówczas: M -M• M +M• g
a
obnc
m
max
ieobr
min
J[/f
n
—
i
a
x
m
i
n
=
max
2 Przy znanych momentach zginającym M wzdłużnej N można wyznaczyć naprężenia: M. M
g
a
min_
2 i skręcającym
f6
M
s
1 1)
oraz sile
N
=
°f
T
=
> K'
( 6
-
1 2 )
W najczęściej rozpatrywanym przypadku zmiennych obciążeń złożonych jed noczesnego zginania i skręcania stosuje się ogólne hipotezy wytężenia (np. hipote zę Hubera-Misesa-Hencky'ego dla płaskiego stanu naprężeń w postaci
<J = V c r
2
Z
+3-T
2
). Dla określonego przekroju złożone naprężenia spełniają waru
nek (patrz: [7]): (6.13)
=1 R
\ eg
j
Po wprowadzeniu współczynników bezpieczeństwa przy zginaniu S i skręcaniu S i uwzględnieniem hipotezy wytężenia mamy: g
s
S =-
1
V
(6.14)
^
przy: (6.15) W obliczeniach sprawdzających wytrzymałości statycznej wałów ze względu na uniknięcie odkształceń trwałych, tzn. pęknięć powierzchniowych lub przełomu statycznego miarodajna jest największa wartość naprężeń, która w okresie trwało ści wału może wystąpić. Współczynnik bezpieczeństwa wyraża się następująco: 1 S =V
(6.16)
-+R. erk
R„.
V esk J R
egk j
co przy działaniu tylko naprężeń gnących i skręcających można przedstawić: S= gdzie: R , erk
przy R , R k
esk
S. =-^ K
o
R.
(6.17)
g
odpowiednio - granice plastyczności części konstrukcyj
nej przy rozciąganiu (ściskaniu), przy zginaniu i przy skręcaniu, S
mm
malny współczynnik bezpieczeństwa (wg [4j: S
mm
= 2 lub S
imn
- mini
= 1,3 przy eks
tremalnie lekkiej budowie i dokładnych pomiarach obciążeń i właściwości mate riałowych). Zakłada się więc, że w tej statycznej procedurze obliczeń, uwzględniającej ude rzeniowe, krótko działające lub szybkozmienne obciążenia, można pominąć wpływ prędkości zmian obciążenia i wpływ częstotliwości na zmiany wytrzymałości. W normie E DIN 743 (projekt - styczeń 1998) „Obliczenia nośności wałów i osi" podano sposób wyznaczania granicy plastyczności części R , k, w którym punktem wyjścia jest granica plastyczności stali R : erc g
e
K„,
st
K,
k
=«M)-K -YF -K{d ) 1Fg
=«M)-
K
g
•y
2 F s
•
p
• R (d )/
Fs
e
(6.18)
V3
p
(6.19)
Technologiczny współczynnik wielkości Kj(cO ujmuje wpływ wielkości przedmiotu wynikający z różnicy wytrzymałości części o średnicy d i próbki o średnicy d . p
K,(d)
l (2) i 1 0,76 -
L
0,67
0,42
i \ 1 _
l
NJ .
_
_
1
1
1
1 1 1 I I I 1
l l 1 l
1 l 1 1 1 1
1
j
i ^ s .
.
X
-
\ \
\
(3)
j
(4)
lg(d)
Rys. 6.13. Wpływ wielkości przedmiotu na wytrzymałość statyczną: (1) stale azotowane i stale konstrukcyjne (wytrzymałość na rozciąganie); (2) stale konstrukcyjne (granica plastyczności); (3) stale do ulepszania cieplnego C r - N i - M o , stale do nawęglania (wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności); (4) stale do nawęglania - oprócz stali C r - N i - M o (wytrzymałość na roz ciąganie i granica plastyczności)
Przy obciążeniu zginaniem i skręcaniem miejscowe wydłużenia lub przekro czenia granicy plastyczności są dopuszczalne. Współczynnik statycznego działania wspierającego K uwzględnia zwiększenie obciążalności dla części bez karbu (K =1,0 + 1,2). Wieloosiowy stan naprężeń wpływa na płynięcie i jest uwzględ niany przez współczynnik zwiększający ^ - = 1 , 0 + 1,15. Zakłada się zatem, że w stalach bez twardej warstwy wierzchniej miejscowe wydłużenia plastyczne u podstawy karbu nie wpływają na zmniejszenie obciążalności. Natomiast w twar dych, nieodkształcalnych warstwach wierzchnich (np. azotowanych, nawęglanych) przyjmuje się, że miejscowe naprężenia z uwzględnieniem naprężeń własnych w warstwie wierzchniej nie mogą przekroczyć miejscowej wytrzymałości warstwy wierzchniej lub wywołać pęknięcia powierzchniowego. 2F
2F
ZADANIE 6.2. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa S (wg H. Linkego, I. Rómhilda).
D a n e: D = 50 mm d = 42 mm r = 5 mm t = 4 mm
AŁ
O b l i c z e n i a (miarodajne w przekroju o średnicy d) o
550:N / m m ' » =
s m
100 + 30 = 130 N / m m M a t e r i a ł :
3
Stal 34CrMo4 o właściwościach (dla średnicy d < 16 mm):
2
/?,„ = 1000 N / m m , R
= 800 N / m m
eg
R o z w i ą z a n i e :
2
obliczone wg E DIN 743-1 współczynniki K (d) l
r
2 F s
= 0,871
=1,2;
r/.-. =1.05;
a-,,,,1,2 JV, =1,00 1
,47
S =-
iV przy R
egk
R
esk
7
= /r, (fi) • K
•y
=K,{d)-K -
y
2Fg
2Fs
Fg
Fs
•R
eg
55oY
130
878J
482,7
= 0,871 • 1,2 • 1,05 • 8 0 0 = 878,0 N / m m
2
• K„ I S = 0,871 • 1,2• 1 • 8 0 0 / V 3 = 4 8 2 , 7 N / m m
2
Dyskusja na temat otrzymanego wyniku jest otwarta wobec małej wartości S.
6.3.4.2.
Obliczenia sprawdzające wytrzymałości statycznej (wg S.W. Serensena)
ZADANIE 6.3. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa 5 przy danych jak w zadaniu 6.2. Przyjęto, że podana granica plastyczności R
tg
i R = R jVJ r
materiału i średnicę d części (zgodnie z założeniami S.W. Serensena).
ujmuje pęknięcie
R o z w i ą z a n i e :
c
550
glma
5
r
= i
=^
T
=^
ł
= 3,553
130
T
S - -^_IL = - i f f i Ł _ ^ VM5?73,553
2
3-839
= 1,347 < S _ 2,4 mm
Minimalna wartość współczynnika bezpieczeństwa względem granicy plastyczności Smm~ 2,4, c o o z n a c z a , ż e s t a t y c z n a w y t r z y m a ł o ś ć nie j e s t d o s t a t e c z n a (S =1,35 < .^„j,,).
6.3.4.3.
Obliczenia wytrzymałości zmęczeniowej
Na początku obliczeń zmęczeniowych wyznacza się nominalne składowe na prężeń: amplitudalne <7 , x (od momentów obciążeń obracających się względem o
a
wału), średnie cyklu naprężeń a , x m
(od momentów nieobracających się obcią
m
żeń); M
a
„,
.,=—
T
M
„=—
w
<7„, = —
(6.20)
w., T
„,=—
(6.21)
Zakłada się, że obliczenia będą prowadzone w zakresie ograniczonej wytrzyma łości zmęczeniowej przy stopniowalnym przebiegu naprężeń, wynikającym z zadanego przebiegu nieregularnych sinusoidalnie zmiennych naprężeń. Zakłada się też, że w przypadku widma naprężeń zniszczenie następuje (wg S.W. Serense na), gdy: =a
(6 22)
Ęt
-
gdzie: n. - liczba cykli naprężeń o., N. - liczba cykli niszczących przy naprę żeniu o , a - współczynnik zależny od stosunku (y jZ m
umK
wartość a < 1,0; dla 1 > c JZ iima
j!lt
i;i
(dla a JZ nia
x
>l,4
< 1,4 wartość a > 1). Można też przyjąć a = 1,
zgodnie z liniową hipotezą sumowania uszkodzeń Palmgrena-Minera. Przy zmiennych warunkach oddziaływania obciążeń wykorzystuje się ekwiwa lentną (ze względu na trwałość) amplitudę naprężeń:
°li ' N, --- 'o z
y
N
u
a
l
a. o,
n.
n, —
Zn,
n,
—»~
Rys. 6.14. Schemat schodkowy przebiegu naprężeń w obszarze ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej (w układzie logarytmicznym)
1
1
^ ~ ~ T a W ^
&
:
'
n
( 6
'
'
2 3 )
gdzie: m - wykładnik potęgowy krzywej Wohlera (patrz rys. 6.14). Po przyjęciu bez większego błędu a = 1 i wprowadzeniu tzw. współczynników ekwiwalentności K . i K . uzyskuje się: t g
n
°«e = ° ^
u
=
•K
(6.25)
'K
(6.26)
eg
a
gdzie:
I
(
Y"
(6.27)
tf^T/Sl-H
-t/-
(6.28)
Wartości współczynników ekwiwalentności K i K„ należy ograniczyć (tzn. 0,6 < K < 1). Po wprowadzeniu pojęcia względnych amplitud naprężeń eg
eg
Pf = c r . / a f l
u m a x
i względnych sumarycznych liczb cykli r. = (
współczynniki
ei
(6.29)
ekwiwalentności można wyrazić następująco: K<- =>f^-ZPr-'r g
=K
Obliczenia wytrzymałości zmęczeniowej wału o zadanej trwałości w określo nym przekroju sprowadzają się do wyznaczenia rzeczywistego zmęczeniowego współczynnika bezpieczeństwa:
jsal
(6.30)
+ Sr] —
(6.31)
^•°".,+^,Z S
=
'
c
r
,„
m
l T - ^ ~ r ^
(6-32)
przy: Z
\f
gdzie:
¥
=0,1
-
węglowych
6.3.4.4.
=0,1+0,2
a
i stopowych
Z
J
-
współczynnik
x
( ¥
•£
Y
wrażliwości
•£
r
=
(6.34)
materiału
na
d l a s t a l i o R,„ < 5 0 0 N / m m
asymetrię 2
i V
2
x
o R,„ > 5 0 0 N / m m ) ; z w y k l e P
= 0,05
r
cyklu;
= 0 , 2 + 0,3
a
zwykle dla
(przyjmuje
stali się
Obliczenia sprawdzające wytrzymałości zmęczeniowej
Z A D A N I E 6.4 ( r o z p a t r y w a n y j e s t f r a g m e n t w a ł u z z a d a n i a 6.2).
Dane:
Ti-rf Ir. =
M a t e r i a ł : stal 3 4 C r M o 4 N R„, = 1 0 0 0
-l
mm' N z =48o — mm N Z,„ = 3 3 0 — - r r
R
eg
ti-42 =
W.. = M
g
s o
3
= 14 546 m m ' 16
16
mm N
2
32 rt-42
T
3
= 7273 nim
32
N = 8 0 0 —
Z,„ = 550-
3
= a
s m
•W
x
= 500 • 7273 =
= 3 636 500 N • m m = 3636,5 N • m M
s
= T „ „ -fF = 1 0 0 - 1 4 5 4 6 = 0
= 1 4 5 4 600 N • m m = 1454,6 N • m Histogram obciążenia
eksploatacyjnego
Stopień obciążenia Moment obrotowy [N • mm]
1 r, = ( i / 2 ) A /
2 7W1/4W
3 7" =(1/6)A/ 3
4 7>(t/10)A/
(, = 3 0 l = 150 . Czas pracy [h] t, = 8400 h = 3 0 / „ = 1420 Uwagi dotyczące stopni obciążenia: (1) krótkotrwale i rzadkie prawdopodobne przeciążenia wywołujące poślizg silnika bez gwałtownego zatrzymania maszyny, (2) bardziej częste, lecz mniejsze co do wartości przeciążenia związane z funkcjami technologicznymi maszyny przy wykonywaniu zadań w niejednorodnym środowisku, (3) podstawowe robocze obciążenia w średnich eksploatacyjnych warunkach, (4) bieg luzem maszyny. Czas pracy T = Il,= 10 000 h; prędkość obrotowa n = 100 obr/min 2
Liczba cykli zmian obciążenia odpowiadająca trwałości 7
N, = _/,. = 60-«-r = 60-100-10000 = 6'10 6
p r z e k r a c z a g r a n i c z n ą l i c z b ę /V ( u w a g a : z w y k l e N 0
żych przekrojach, N
0
= 10'
0
= (3+5)- l O c y k i i d l a w a l ó w o n i e d u 6
dla w a ł ó w dużych przekrojach, N
= 510
0
c y k l i dla stali
stopowej). R o z w i ą z a n i e : O b l i c z e n i o w y m o m e n t s k r ę c a j ą c y (z h i s t o g r a m u ) : M' = - • M ' 2
= - • 1454,6 = 7 2 7 , 3 N • m 2
M o m e n t gnący: M[. = — -M„ = — - 3 6 3 6 , 5 = 1818,3 N - m 2 2 Naprężenia gnące i skręcające: , K 1818,3 cr„ = — - = = 250 r
N
. r- '
, M\ r„ = — - =
727,3
nim
32
r
. = 50n
N
16
Współczynniki ekwiwalentności naprężeń K
l!g
i K
er
dla z g i n a n i a : K
=Ą—I,P"'-t
g d z i e w y k ł a d n i k m = 9 ( n a j c z ę ś c i e j d l a k o n s t r u k c j i w a ł ó w ) l u b m = 6 (dla w a ł ó w z osadzanymi częściami wtłaczanymi).
T P, =
= ^ - = 1,00
T, T P,=
T T =^
150
= 0,015
8400
= 0,33
T T t
:__i
= 0,003
10000
t
C„,
30
10000
= ^ - = 0,50
P=
>Ą 'ń •Ą •4
= — = 0,20 T,
= 0,840
10000 1420
= 0,142
10000
_>1 _ P " -i, = 1 ' - 0 , 0 0 3 + 0 , 5 " - 0 , 0 1 5 + 0,33° - 0 , 8 4 + 0 , 2 " - 0 , 8 4 + 0 , 2 ' - 0 , 1 4 2 = = 0,003 + 0 , 0 1 9 5 3 1 • 0,015 + 0 , 0 0 0 0 4 6 4 • 0,84 + 0,000005 - 0,142 = 0 , 0 0 3 3 3 3 6 10' --0,003333 =0,699 5-10"
dla skręcania: K
= K e.,
=0.699 ej,-
Naprężenie amplitudalne i średnie: gnące
cr„ = a
; a„, = 0
g
CT = 2 5 0 ~ ^ ; o
A,
^7
t
\
A
/
ł
a,
mm" skręcające
r
=r
=~-r
"
"
2
-"
T
0-1
2 5 - ^ . - 2 5 - ^ mm
mm
Rzeczywisty współczynnik bezpieczeństwa dla zginania a
k
przy
p/r
= 5/21 = 0,238 ;
/ ? / r = 2 5 / 2 1 = 1,19 w s p ó ł c z y n n i k
kształtu
= 1,58 [ 1 4 ] , w s p ó ł c z y n n i k w r a ż l i w o ś c i n a d z i a ł a n i e k a r b u i] = 0 , 9 2 ; w s p ó ł c z y n k
J3 = \ + i] (a
nik działania karbu
k
k
p o w i e r z c h n i /?,, = 1,25 ( d l a R
- 1 ) = 1 + 0 , 9 5 ( l , 5 8 - 1 ) = 1,551; w s p ó ł c z y n n i k stanu
k
= 6+8 u m przy d o k ł a d n y m toczeniu [14]); rzeczywisty
a
współczynnik spiętrzenia naprężeń
=
+/?
- 1 = 1,551 - 1 , 2 5 - 1 = 1 , 8 0 1 ; w s p ó ł
c z y n n i k w i e l k o ś c i p r z e d m i o t u e = 0 , 7 2 5 ( [ 1 4 ] , dla a„ = 1,58, Z
= 480
g0
2
N/mm ,
d = 42 m m ) ; wytrzymałość zmęczeniowa:
s
""
f3
1,801
a
'"mm
2
Współczynnik bezpieczeństwa:
S= K
1
•ct„+ F
eg
dla s k r ę c a n i a dla współczynnik P
k
1 . 1 0 6
^
a
p/r
O T
= 0,238;
wrażliwości
-(T„,
R/r ą
k
= l + 0,92-(ł,3-l) = l,276;
0,699-250 + 0
= \,\9 =
współczynnik kształtu a
k
0,92,
współczynnik
współczynnik B
T
=
1,276
współczynnik wielkości e = 0,725. Wytrzymałość zmęczeniowa:
Z, So
=
^
P
T
Współczynnik bezpieczeństwa:
= ^
^ 1,526
= 156,8-
N
mm
2
+
= 1,3 [ 1 4 ] ;
działania 1,25
-
1 =
karbu 1,526;
gdyż
f 0,1-0,725 Y =-^-^= ' ' =0,048A 1,525 f
Współczynnik bezpieczeństwa:
_
5
1,106-8,4 Vl,106 +8,4 2
-Js^ + Sl
2
Wobec wymaganych wartości współczynnika bezpieczeństwa
= 1,5 + 2,5, wg
[14]) należy ponownie zwymiarować wał. 6.3.5.
Sztywność osi i wałów
Sztywność jest podstawowym ograniczeniem dla osi i wałów. Niedostateczna sztywność zmienia funkcje całej maszyny i funkcje układu wał-łożyska-elementy osadzone. Przy niezadowalającej sztywności należy przewymiarować wal, zwięk szając jego rozmiary poprzeczne i doprowadzając do zmniejszenia wykorzystania materiału w ograniczeniach wytrzymałościowych. Jakościowymi charakterystykami sztywności są: • sztywność wzdłużna: F E-A c .=• Al 1 sztywność giętna: , E-I c, = ,
,3
f
(współczynnik k zależy od warunków zamocowania i obciążenia) sztywność skrętna: M, G-L c =(p
d
Z podanych zależności wynika, że obserwowany w rozwoju techniki wzrost wytrzymałości wynikający ze stosowania coraz lepszych materiałów nie ma wpły wu na wzrost sztywności, gdyż przy tym nie zmieniają się wartości modułów sprę żystości E i G . Zazwyczaj wzdłużne odkształcenia sprężyste Al = FJc są nie wielkie i w odróżnieniu od odkształceń cieplnych mało wpływają na pracę maszyn. w
Poprzeczne odkształcenia giętne wałów i osi / = Fjc
są obok kątów 0 obro
tów poprzecznych przekrojów (kątów pochylenia sprężystej linii wału) bardzo ważne dla oceny zdolności wału lub całej maszyny do zadanych funkcji. Kątowe odkształcenia skrętne ę = Mjc
s
mają różne znaczenie dla spełnienia
funkcji przez maszynę: przy wymaganiu synchronizacji ruchu kilku urządzeń na pędzanych przez jeden silnik (np. dźwignice, ciężkie obrabiarki, maszyny papierni cze) dopuszczalny kąt ę jest mały (ę jl = 0,25+0,3° mb walu); jeszcze mniejszy &op
jest dopuszczalny kąt ę> w dokładnych obrabiarkach, gdy dokładność obróbki (np. nacinania uzębienia lub gwinUi) jest zależna od skojarzenia ruchów. W innych maszynach (samochody, ciągniki, statki) główne wały napędowe mogą wykazywać bardzo duże wartości (
0
ograniczenia sztywności giętnej
< f
] f J
/
- /
;0
A
< e,
dopi ® , - ® i d o
P
d o p
ograniczenia sztywności
^
dop
skrętnej
gdzie: parametry dopuszczalne (z indeksem dop) określa się na podstawie da nych doświadczalnych dla określonej grupy maszyn. Przemieszczenia kątowe i liniowe wałów w zakresie sprężystym są szkodliwe, gdy wpływają na funkcje maszyny (np. na dokładność obróbki przy wrzecionach obrabiarek lub na jednakową grubość wstęgi w maszynach papierniczych). Gra niczne przemieszczenia dopuszczalne określa się także na podstawie mnkcji wału i warunków jego zabudowy, tzn. warunków pracy węzła konstrukcyjnego „wał", czyli osadzonych na wale kół zębatych, połączeń wału z piastą i łożysk. Obciążenia odpowiadające tym przemieszczeniom mogą wywoływać naprężenia mniejsze od granicy sprężystości, a także ją przewyższające. Stąd w literaturze przedmiotu (S.W. Serensen, 1975) obciążenie odpowiadające rzeczywistym odkształceniom powinno się określać zarówno w przypadku długotrwałego obciążenia, jak i w przypadku obciążeń krótkotrwałych. Obciążenie na wale odpowiadające granicz nym przemieszczeniom dopuszczalnym przyjmuje się za graniczne do wyznacza nia zapasów wytrzymałości. Charakterystyczne parametry linii osi ugiętego wału (tzw. elastika) są miarodaj ne dla oceny przemieszczeń: (1) ugięcie maksymalnefi ; (2) ugięcia w miejscach osadzenia kół fi, (3) kąty obrotu osi w miejscach osadzenia kół ©,; (4) kąty obrotu osi wału w łożyskach 0.^. Wspomniane sprężyste przemieszczenia wywołują wzrost koncentracji nacisków stykowych (kąty obrotu kół zębatych i łożysk), wzrost zużycia części, zakleszczenie elementów tocznych łożysk, obniżenie wy trzymałości zmęczeniowej elementów i połączeń, zmniejszenie dokładności me chanizmów. W zazębieniach ewolwentowych 'zmiana odległości wywołana ugię ciem wpływa na wskaźnik zazębienia. Wały przekładni zębatych przy niesymetrycznym (rys. 6.15), a zwłaszcza jed nostronnym łożyskowaniu kół są szczególnie narażone na niekorzystne skutki nadmiernych przemieszczeń. Sztywność giętna i skrętna wpływa na częstotliwo ściowe charakterystyki układów przy powstawaniu drgań giętych i skrętnych. mx
El
F
Rys. 6.15. Przemieszczenie kątowe i liniowe wału z możliwymi oddziaływaniami: £ 1 - efekt krawędziowy w rozkładzie nacisków łożyska ślizgowego & ) o dużej długości względnej (l/d) połączony z siłami statycznie niewyznaczalnymi; E2 - efekty pogorszenia wskaźnika zazę bienia (/,) i zmian rozkładu obciążenia na szerokości koła ( 0 | ) ; £ 3 - efekt ukośnego napięcia przekładni cięgnowej ( 0 ) B
2
Wielkości ugięć / i kątów obrotu 0 wyznacza się na podstawie elementarnych zależności wytrzymałości materiałów (metoda energetyczna Castigłiana, metoda Mohra lub metoda Cłebscha). Najlepiej jest skorzystać z gotowych zależności za wartych w poradnikach dla poszczególnych składowych obciążenia, a następnie odkształcenia, zgodnie z zasadą superpozycji sumować w określonych płaszczy znach i wyznaczyć odpowiednie wielkości / i 0 , sumując geometrycznie dane z dwóch płaszczyzn. Unika się w ten sposób błędów często spotykanych w prakty ce projektowania. Zależności poradnikowe odnoszą się do belek o stałych przekro jach. Wykorzystując te zależności dla wałów kształtowych, można wykorzystać metodę sprowadzania kształtowego wału do wału o stałej średnicy. Przy tym dłu gości różnych odcinków wałów L ,L ,L powinny być zamienione na długości L
sprowadzone L , L , L ,... LS
2t
3S
2
I
przy założeniu, że sztywność odcinka wału rzeczywi
stego i sprowadzonego pozostaje ta sama. Wówczas dla walcowego odcinka wału mamy:
(6.35) czyli (6.36)
Tabela 6.3. Dopuszczalne parametry' sztywności giętej wg danych literaturowych
D o p u s z c z a l n e parametry s z t y w n o ś c i giętnej
(/inaj/Odop
Literatura
0,0001
J.A. Collins (2003)
0,0003
S.Kral (1998), W. Steinhitper (1994). R. H i n z ( 1 9 S 4 ) , W.Tochtermann(1969)
0,0005 (długie wały, np. pędniane lub napędowe
W. Steinhitper ( 1 9 9 4 ) ,
w pojazdach)
W. Tochtermami (1969)
0,0002 (w obrabiarkach)
W. Steinhitper (1994),
0,0002 +
W.Toclttermann(1969) L. Leftierov. I. Dimitrov
0,0003 (w obrabiarkach)
(1994), Z. Dąbrowski (1984), M. Iwanow (1976) 0,01 (kola w a l c o w e )
S.Kral (1998), M. Iwanow (1976). L. Leftierov(1994)
0,005 (kola stożkowe, globoidalne i hipoidalne)
S.Kral (1998), M. Iwanow (1976)
0,005 (ogólnie kola zębate)
R. H i n z ( 1 9 8 4 )
0,01 + 0 , 0 3 (kola walcowe)
I. D i m i t r o v ( 1 9 9 4 )
0,005 + 0,007 (stożkowe, globoidalne i hipoidalne)
1. D i m i t r o v ( I 9 9 4 )
0,001 + 0,005 (kola zębate)
Z. Dąbrowski (1984)
0,005 + 0,01 (przekładnie zębate obrabiarek)
K.Zygmunt (1965)
0,001(zębnik-kolo stożkowe) 0,0002 (kolo w a l c o w e )
W. Steinhilper (1994) W. Steinhilper (1994)
3
(0,6 + 3) 10" (łożyska kulkowe zwykłe; większe wartości dla łożysk niniejszych; dla łożysk z powiększonym luzem C3 i C4 pomnożyć odpowiednio przez 2 lub 3) 1
©Aiop[rad]
( 0 . 6 + 1,0) 10" (łożyska walcowe: mniejsze wartości dla odmian szerokich)) 3
(26 + 60) 10" (dla łożysk waliliwych kulkowych 1 -rzędowych) 0,070 (dla łożysk waliliwych baryłkowych 1-rzędowych)
Natomiast dla odcinków wałów o zmieniających się średnicach (stożkowych, krzywoliniowych) sprowadzenie należy wykonać w różniczkowej formie dla ele mentów o długości dx i dx : s
kE-j c,,, =
kE-j r ~
r
r
-
[d*
f i dx„ =dx-i\—=dx-i\-±-
Na przykład dla stożkowego odcinka o średnicach d , d x
2
(6.37) i długości /
stoż
(rys.
6.16): , , d =d,+—
d ~d, 2
x
x
'stoż
czyli
(6.38)
4
/..
d +
••dl
d-, - d, —
x
dx = L,
•X
"i-d.
(6.39)
J
Przy znacznej różnicy wymiarów średnicowych wału pewne jego odcinki nie pracują na całej długości i znalezione teoretycznie wartości l dla tych odcinków należy zwiększyć o 10 + 1 5 % . W przypadku odcinków wału z połączeniami wtła czanymi uwzględnia się, że często piasty tych elementów pracują wraz z wałem; w tym celu zwiększa się średnicę s
d„ = d + 2 ( 0 , 3 + 0,4) g t
gdzie g - grubość piasty.
Rys. 6.16. Schematy sprowadzenia walu kształtowego do wału gładkiego
ZADANIE 6.5. Sprowadź podany na rys. 6.17 wał kształtowy do wału gładkiego o śred nicy 22 mm. Założenia obliczeniowe są następujące: moment obrotowy M = 150 M • m; średnica podziałowa d = 50 mm; liczba zębów z = 20; moduł m = 2,5 mm; kąt przyporu a = 20° przy łożyskach kulkowych 16005 (o wymiarach 25x47x8). Wyznacz ugięcie walu pod s i ł ą F i kąt obrotu & na prawej podporze łożyskowej. Zadanie jest przewi dziane do indywidualnego rozwiązania. Ą
z
B
Odpowiedzi: 3
2
F = (2 • 10 • M ) / c / • ^ 1 + t g « j = 6376 N ; / f = 0,0030 m m ; / z
® = - 0,00026 rad. B
4
z
m x
= 0,0031 mm;
Rys. 6.17. Schemat obliczeniowy walu kształtowego i sprowadzonego walu gładkiego
6.4.
Dynamiczne zachowanie wałów
Wały są sprężystymi elementami konstrukcyjnymi. Na ich masę składa się masa własna i masa osadzonych elementów (w tym koła, tarcze, pierścienie). Tworzą więc one systemy sprężysto-masowe. Można je rozpatrywać jako systemy drgań giętnych lub skrętnych. Wymuszenia stanowią okresowo zmienne momenty i siły. Przy częstości wymuszenia (wynikającej z prędkości obrotowej wału) bliskiej czę stości drgań własnych zachodzą zjawiska rezonansowe wzrostu amplitudy drgań, prowadzące do zniszczenia wału. 6.4.1.
Krytyczne prędkości kątowe drgań skrętnych
W przypadku jednomasowego układu z zamocowaną na wale tarczą (patrz 2
rys. 7.1) o masowym momencie bezwładności 0 = \r dm I r p d v i sztywności
skrętnej c
= dTIdę
v
= m
"
= Tlę
można wyznaczyć częstość krytyczną
drgań
S V
&
'
Amplituda drgań wymuszonych momentem T • s\n(coJ + ę) wyniesie (patrz rys. 6.18): 0
gdzie: n - współczynnik tłumienia ( n = cr/2 • 0 ) .
^
I '
7 i s i n ( a v
+
Rys. 6.18. Model do wyznaczania krytycznej prędkości walu z jedną tarczą
Po wprowadzeniu pojęcia współczynnika dynamiczności K =C„/
Q
o momencie bezwładności 0 : c
m
(6.41)
cot • 0
mamy: 2
i
i -
2n
—Ł
+ —
2f
\
(6.42)
CV .
Zgodnie z rysunkiem 6.19 krytyczna prędkość co występuje, gdy K —> °° d
kr
przy ó) . -co - W wyniku działania oporów tłumienia wartość K zmniejsza się ti
d
n
ze wzrostem współczynnika tłumienia n. Wzrost tłumienia wywołuje przesu nięcie wielkości
tJT /o) w
n
od jedności. Stąd błąd obliczenia amplitudy bez
uwzględniania tłumienia w zakresie mjoj,, > 0,7 i a>Jm > 1,3 jest mały. Przy n
n = 0 i tv Ja) t
n
< 4~2 współczynnik dynamiczności K > 1. W tym zakresie d
wartości mJco„ należy zwiększyć co w celu obniżenia wartości K . n
d
W nadrezonansowej strefie cojco„ » 1 wartość współczynnika dynamiczności jest bardzo mała. Osiąga się to przez zmniejszenie sztywności wału. W celu unik nięcia niebezpiecznego narastania amplitudy przy przejściu przez strefę rezonan sową należy zapewnić intensywne zwiększenie prędkości obrotowej w tej strefie lub przewidzieć specjalne tłumiące urządzenia (o wewnętrznym lub zewnętrznym tarciu lub ograniczniki), lub też dodać masę bezwładną. W układzie dwumasowym (np. gdy silnik elektryczny w momencie bezwładno ści 0 i napędza sprężarkę o momencie bezwładności 0 za pośrednictwem wału o sztywności c ) prędkość krytyczna drgań skrętnych: 2
v
co..
gdzie: 0
2 a s l
= ©,-0 /(0i + 02). 2
Y/ZA
Rys. 6.20. Model układu dwumasowego
6.4.2.
Krytyczna prędkość kątowa drgań giętnych
Rozpatrując drgania poprzeczne wału, należy wspomnieć o linii ugiętego sta tycznie wału i o niewyważeniu (rys. 6.21). Gdy pod wpływem sił statycznych ob raca się ugięty wał, powstają obrotowe obciążenia giętne. Jeżeli środek ciężkości 5 masy m obracającego się wału jest oddalony o wielkość mimośrodu e od osi obrotu, wówczas powstaje siła odśrodkowa F = nre-co , wywołująca obrotową ąuasi-statyczną linię ugięcia i dalszy wzrost siły odśrodkowej (F = (f+e) • m-co ). 2
z
2
z
R.ys. 6.21. Model drgań giętnych układu jednomasowego: a) linia ugięcia statycznego wału pod wpływem siły sprężystej F ; b) linia ugięcia obracającego się walu z niewyważoną masą r
Przy elementarnym objaśnianiu drgań giętnych rozpatruje się model nieważkie go sprężystego wału zjedna tarczą (rys. 6.21). Przy obrocie wału musi występować równowaga sity sprężystości F i siły odśrodkowej F . r
z
c-f
= {f +
2
e)-m-a)
Stąd : 1
2
m-co
co e
f=
=
r ~ 7 7-e (6-43) c-m-co c m-co Rezonans powstaje przy / = > « > , co odpowiada: c - m Cu = 0 . Tę częstość 2
kołową drgań własnych nazywamy krytyczną: co = ~Jcfm . Po wprowadzeniu tej kr
wielkości do zależności (6.43) mamy:
e
\-{colcoJ
{co/coj-l
Powyższą zależność przedstawiono na lys. 6.22.
f
M
e
0 waty sztywne zakres potlkrytyczny
wały giętkie zakres nadkrytyczny
Rys. 6.22. Zależność s t r z a ł k i / u g i ę c i a dynamicznego od stosunku częstości klasyfikacji wałów
(o/co , jako podstawa k
Wały o n masach posiadają n postaci drgań. Dla wału dwupodporowego z dwoma masami częstość własna I rzędu odpowiada jednej strzałce drgań mię dzy łożyskami, a częstość II rzędu - dwom strzałkom ugięcia i jednemu punk towi węzłowemu. Częstość krytyczną takiego układu wyznacza się z zależności Dunkerleya: 7
»)/('"«• 0. K
6.4.3.
=
\,2,...
Wyrównoważanie
W celu zmniejszenia drgań giętnych i obrotowych dynamicznych sił podporo wych w łożyskach należy wyważać zwłaszcza szybkobrotowe wały z kołami (iys. 6.23). Przesunięcie środka ciężkości uzyskuje się przez dodanie masy (ciężar wyrównoważający) lub przez lokalne zdjęcie materiału (otwory wyważające).
a
Wóz V77A
V77W
Rys. 6.23. Wyrównoważanie statyczne
Przy wyrównoważaniu statycznym muszą być spełnione dwa warunki: •
suma sił odśrodkowych równa zero m, • e, •
•
suma momentów sił ciężkości równa zero
2
•e -co , 2
1
• g • e, = m • g • e,. 2
Po wyrównoważeniu statycznym występują dodatkowe obciążenia układu: momentem dynamicznym (M
- m, -e^co'
A
a) i promieniowymi obrotowymi
siłami w łożyskach: F = F = m, • e,- co •( a 11) . 2
A
B
Statyczne wyrównoważanie stosuje się tylko dla wałów z jedną tarczową i wąską masą zastępczą. Przy wyrównoważaniu dynamicznym (rys. 6.24) są sprowadzane do zera za równo siły dynamiczne, jak i momenty dynamiczne. m • e, • sin a r . i
I
=
0,
m. -e. - cos ar.
^ a. • ni • e • sin a r .
=
0
a. • m • e. • cos a r .
=
0
t
"2
"'2
7>\ «1
oRys. 6.24. Wyrównoważanie dynamiczne walu dwupodporowego z masami m, w odległości a-, od jednej z podpór
Dopuszczalne niewyrównoważenie określa się w g • mm, co odpowiada mimo środowości środka ciężkości (w um) w zależności od stopnia jakości Q wyrównoważenia. W normach określa się Q - ^ e •
żenie) i Q
1600
=> e-co —1600 mm/s (niewielkie wyrównoważenie).
6.5. [I]
Literatura C o l l i n s J.A.: M e c h a n i c a l d e s i g n of m a c h i n ę e l e m e n t s a n d m a c h i n e s , W i l e y , N e w York 2003.
[2]
Dąbrowski Z., M a k s y m i u k M.: W a ł y i osie, P W N , W a r s z a w a 1984
[3]
Dmitrev V.A.: Detali masin, Sudostroenie, Leningrad, 1970.
[4]
F r o n i u s S.: K o n s t r u k t i o n s l e h r e , V E B V e r l a g T e c h n i k , B e r l i n 1 9 7 9 .
[5]
H i n z R.: V e r b i n d u n g s e l e m e n t e : A c h s e n , W e l l e n , L a g e r , K u p p l u n g e n , V E B F a c h buchverlag, Leipzig 1984.
[6]
Ivanov M.: Detali masin, Wysśaa Śkola, M o s k v a 1976.
[7]
K o c a ń d a S., S z a l a J.: P o d s t a w y o b l i c z e ń z m ę c z e n i o w y c h , P W N , W a r s z a w a 1 9 9 7
[8]
K o r e w a W . , Z y g m u n t K.: P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , W N T , W a r s z a w a 1 9 6 5 .
[9]
K r a l S.: Ćasti a m e h a n i z m y s t r o j ó w , S l o v e n s k a T e c h n i k a U n i v e r z i t a v B r a t i s l a v e , Bratysława 1998.
[10]
K r a u s e W . : G r u n d l a g e n d e r K o n s t r u k t i o n , V E B V e r l a g T e c h n i k , B e r l i n 1980.
[II]
L e f t e r o v L., D i m i t r o v I. et al.: M a ś i n n i e l e m e n t i , T e h n i k a , Sofia, 1 9 9 4 .
[12]
S t e i n h i l p e r W . , R o p e r R.: M a s c h i n e n - u n d K o n s t r u k t i o n s e l e m e n t e 3 , S p r i n g e r -Verlag, Berlin 1994
[13]
S z a l a J.: P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , red. M . D i e t r i c h , W N T , W a r s z a w a 1 9 9 5 .
[14]
Tochtermann W.: Konstruktionselemente des Maschinenbaues, Springer-Verlag, Berlin 1969.
Zagadnienia kontrolne 1.
Podaj funkcje osi i w a l ó w .
2.
O m ó w p o d z i a ł osi i w a l ó w .
3.
O m ó w zasady kształtowania wałów.
4.
Podaj algorytm obliczeń projektowych wałów.
5.
Podaj algorytm obliczeń sprawdzających wytrzymałości zmęczeniowej wałów.
6.
O m ó w zasady kształtowania sztywności giętnej i skrętnej w a l ó w .
7.
Scharakteryzuj dynamiczne zachowanie wałów.
7. ŁOŻYSKOWANIA I ŁOŻYSKA TOCZNE
ŁOŻYSKO KULKOWE Leonardo da Vinci, Madrid Codex, c. 1497
7.1.
F u n k c j e łożysk tocznych
Funkcją łożyska jest prowadzenie obracającego się lub oscylującego czopa wa łu lub osi względem nieruchomej obudowy lub innych ruchomych elementów oraz przenoszenie sił promieniowych i osiowych. Łożyska toczne są najszerzej stoso wane w łożyskowaniach napędów. Ich nazwa wynika z rodzaju tarcia występujące go na powierzchniach roboczych elementów oporowych (w tym przypadku jest to tarcie toczne). W technice łożyskowania są stosowane cztery typy łożysk: toczne, hydrodynamiczne ślizgowe, hydrostatyczne ślizgowe i aktywne magnetyczne. Opi sowe charakterystyki porównawcze różnych systemów łożyskowania podano w tabeli 7.1. Tabela 7.1. Charakterystyka różnych systemów łożyskowania
Kryteria " 1 Przenoszenie obciążenia między statorem a rotorem
Prowadzenie walu, położenie osi pod obciążeniem
toczne 2 elementy toczne i film smarny, ciśnienie w filmie smarnym samo czynnie uzyskane przez ruch względny samonastawne
Łożyska hydrodynamiczne hydrostatyczne 3 4 film olejowy, film smarny, ciśnienie w filmie ciśnienie smarnym samo w filmie olejo czynnie uzyskane wym uzyskane przez ruch przez obce względny wymuszenie (pompa) samonastawne samonastawne
magnetyczne 5 pole magnetycz ne, pole sil uzy skane przez obce wymuszenie (źródło prądu elektrycznego) regulacja ze wnętrzna przez człony pomiaro we (sensory + układ regulacji na zewnątrz łożysk)
c.d. tabeli 7.1 1 Tarcie przy rozruchu Tarcie przy ruchu Trwałość
Prędkość obrotowa Dokładność ruchu
Tłumienie Sztywność Zapotrzebowanie na środek smarny Pewność działania Nakłady na zakup i nadzorowanie
małe
2
3 bardzo duże
4 bardzo małe
5 bardzo małe
małe
duże
duże
bardzo małe
w praktyce bardzo trwałe (ograniczone zużyciem)
ograniczona zużyciem przy rozruchu i ha mowaniu ograniczona przez temperatu rę i smarowanie bardzo dobra (zależna od geometrii części łożyska, filmu smarnego)
nieograniczona
nieograniczona
ograniczona przez temperaturę ekstremalnie dobra (umiar kowany wpływ błędów kształtu na film olejowy)
ograniczona przez trwałość materiału (stabilne położe nie osi łożyska zależnie od układu regulacji)
umiarkowane dobra („samonastawne") umiarkowane
dobre dobra
dobre dobra
duże
bardzo duże
bardzo duża
duża
trochę większa
brak danych
umiarkowane
bardzo duże
bardzo duże
zazwyczaj duże
ograniczona przez temperaturę i smarowanie dobra do bardzo dobrej (zależna od geometrii części łożyska, filmu smarnego)
-
-
Łożyska toczne (tabela 7.1) mają wiele zalet: (1) duża pewność działania przy umiarkowanych potrzebach nadzorowania i obsługi; (2) samonastawność prowa dzenia wału pod obciążeniem; (3) mały współczynnik tarcia podczas rozruchu i normalnej pracy; (4) prawie całkowita zamienność łożysk różnych wytwórców dzięki normalizacji typowielkości co do wymiarów i tolerancji w połączeniu z łatwym montażem i demontażem łożyska; (5) możliwość wstępnego zacisku w celu eliminacji luzu, zapewnienia trwałości lub wzrostu sztywności łożyskowa nia; (6) małe wymiary osiowe przestrzeni zabudowy łożyska; (7) mała wrażliwość na rodzaj środka smarnego i warunki smarowania oraz mała ilość środka smarnego pozwalająca czasem na pracę w całym okresie eksploatacji; (8) mały wpływ wa runków pracy (obciążenie, prędkość obrotowa, temperatura) na jakość pracy; (9) wysoka jakość i umiarkowany koszt zakupu (zwłaszcza małych i średnich rozmia rów) łożysk; (10) duża sztywność i mata odkształcalność pod wpływem obciążenia. Pewne ograniczenie zastosowań łożysk tocznych wynika z ich mankamentów: (1) ze skłonności do nagrzewania i obniżonej trwałości przy dużych prędkościach
obrotowych; (2) ze słabych właściwości tłumienia drgań wałów i (lub) korpusu maszyny; (3) z obniżonej zdatności do pracy w warunkach obciążeń wibracyjnych lub uderzeniowych (np. przy dużych przyspieszeniach koszyka i elementów tocz nych łożyska w mechanizmie korbowym); (4) ze stosunkowo dużych wymiarów promieniowych; (5) z braku możliwości rozdzielności w płaszczyźnie średnicowej, czyli konieczności osiowego przemieszczania na potrzeby montażu; (6) z wysokich kosztów zakupu przy dużych rozmiarach łożysk; (7) z ograniczonej dopuszczalnej prędkości obrotowej; (8) z ograniczonego kąta obrotu w podporze tocznej. 7.2.
Ł o ż y s k o w a n i a toczne
Układ łożyskowania, czyli uporządkowanie układu łożysk osi lub waht maszy nowego, ma na celu jednoznaczne i bezpieczne przejęcie obciążeń podporowych. W wyborze układu łożyskowania mają znaczenie charakter i wartość obciążenia podpór wału (siły poprzeczne i wzdłużne) i sytuacja zabudowy łożysk (przesuw łożysk na wale i w obudowie). Układy łożyskowania różniące się liczbą, rodzajem i rozmiarami łożysk mogą pełnić podobne funkcje konstrukcyjne. Występujące w układzie łożyskowania pojedyncze łożyska lub zespoły łożysk w każdej z podpór tocznych można podzielić na: łożyska ustalające, przenoszące siły poprzeczne i wzdłużne w obydwu kierunkach:
w a ł
| ^ |
w a ł
CĆZAWZA 777?\V77>
F
r
łożyska swobodne, przenoszące jedynie siły poprzeczne i przesuwne (wraz z wałem lub w obudowie): wal
\
F
r
łożyska podpierające lub kombinacje poprzecznych i jednostronnych ło żysk wzdłużnych, przenoszące siły promieniowe i osiowe w jednym kie runku; przy dwóch oddzielnych łożyskach podpierających łożyska na wale lub obudowie muszą zapewniać osiową przesuwność wału na kierunku ob ciążenia: wał
V77?
Na rysunku 7.1 przedstawiono wybrane konstrukcje układów łożyskowania tocznego, przy czym oznaczenia rysunków (a-e) są zgodne z oznaczeniami sche matów układów w tabeli 7.2, prezentującej wady i zalety różnych struktur układów łożyskowania.
b)
c)
J
d)
e)
Rys. 7 . 1 . Przykładowe rozwiązania tocznych układów łożyskowych
Tabela 7.2. Struktura układów łożyskowania
Struktura układu
Schemat układu
\Y//A\
Y/ZA
\vm\
W7A
b)
Y/Zń o
V7Z\
<0 s/2
o
Y///, V//A
s/2
'//A V//A
Liczba i rodzaj podpór (łożysk) jedno łoży sko ustalają ce i jedno łożysko swobodne
jedno dwu stronne łożysko wzdłużne i dwa łożyska poprzeczne dwa podpie rające lożyka (wal ma luz osiowy s)
Zalety
jednoznacz ność, statyczna wyznaczał ność, wydłużenie możliwe przy standardowych łożyskach jednoznacz ność, statyczna wyznaczalność, wydłużenie możliwe także dla dużych sil osiowych prosta kon strukcja i mon taż bez szcze l n y c h wyma gań co do tole rancji osiowych
CL,
d)
Y/ćA\
.2 js
C
o
e) CU-
CU
s 'o, ni
1 Yć/A\ o V77a\ ^
<-> . 2
V77/
dwa łożyska podpierające (łożyska są wzajemnie nastawione z luzem s = 0 )
bezluzowość, sztywność, statyczna wy znaczalność, przenoszenie dużych obcią żeń
dwa łożyska podpierają ce, wzajem nie napięte sprężyście
zasadniczo bezluzowość, przenoszenie dużych sił osiowych w jednym kierunku
Wady
wymaga trzech łożysk
niedokładne prowadzenie osiowe przez duży luz osiowy, tylko dla niedu żych odległości łożysk, szczegól ne niebezpie czeństwo uderzeń wyższe nakłady na nastawianie w montażu łożysk, przeciążenie przy wydłużeniach cieplnych walu wzrost tarcia łożyska przez osiowe napięcie wstępne, brak przenoszenia obciążenia w kierunku sprężyny
7.3.
B u d o w a i klasyfikacja łożysk tocznych
7.3.1. Budowa Łożysko toczne składa się z dwóch pierścieni (wewnętrznego i zewnętrznego) w łożysku poprzecznym lub dwóch tarcz - obudowy i wału - w łożysku wzdłuż nym, między którymi są rozmieszczone elementy (części) toczne, rozdzielone ko szykiem (separatorem) (rys. 7.2).
Rys. 7.2. Podstawowe elementy budowy łożyska tocznego: 1 - pierścień wewnętrzny, 2 - pier ścień zewnętrzny, 3 - części toczne, 4 - koszyk, 5 - bieżnie główne, 6 - bieżnie pomocnicze
Obciążenie jest przenoszone w głównym kierunku obciążenia łożyska przez skojarzone powierzchnie obrotowe elementów tocznych i bieżni głównych pier ścieni (tarcz). Na pierścieniach znajdują się także bieżnie pomocnicze, które prze noszą obciążenia o kierunku pomocniczym (nie głównym) i prowadzą elementy toczne. Między pierścieniami (tarczami) znajdują się toczne elementy: kulki lub wałeczki o kształcie walca, igiełki, stożka lub baryłki. Elementy toczne są wbudo wane do koszyka, który rozdziela je równomiernie na obwodzie i ewentualnie pro wadzi. W wielu łożyskach koszyk utrzymuje łożysko w całości. W łożyskach roz łącznych (np. stożkowych walcowych) zwykle jeden z pierścieni jest rozłączny względem nierozłącznego segmentu drugiego pierścienia - koszyka i elementów tocznych. Najczęściej stosowane elementy toczne przedstawiano na rys. 7.3.
Rys. 7.3. Elementy toczne: a) kulka, b) wałeczek walcowy, c) igiełka, d) wałeczek stożkowy, e i f) wałeczki baryłkowe symetryczny i niesymetryczny
Kulki stosuje się przy małych i średnich obciążeniach promieniowych i osio wych, natomiast krótkie wałeczki walcowe (I, /d <2,5) przy większych obciąże niach promieniowych, a długie wałeczki walcowe (l /d >2,5) przy bardzo du żych obciążeniach promieniowych; igiełki ( l i d > 2,5 i d < 3 m m ) przy dużych obciążeniach i małych gabarytach; wałeczki stożkowe - przy obciążeniach promie niowych i osiowych, baryłki symetryczne - przy dużych obciążeniach łożysk wali li wych; baryłki niesymetryczne są przeznaczone do łożysk wzdłużnych. W łożyskach tocznych w parze element toczny-pierścień występuje styk linio wy lub punktowy i tworzy się pod obciążeniem charakterystyczna powierzchnia styku dla styku liniowego i punktowego (rys. 7.4). v
w
w
w
w
w
w
Rys. 7.4. Bieżnie zewnętrznego i wewnętrznego pierścienia łożyska w parze tocznej z wałeczkiem oraz bieżnia wewnętrznego pierścienia w parze tocznej z kulką z odpowiadającymi powierzchnia mi styku liniowego i punktowego (p naciski Hertza) mm
Na rysunkach 7.5 i 7.6 przedstawiono koszyki łożysk tocznych metalowe i z tworzyw sztucznych. a)
b)
c)
d)
Rys. 7.6. Koszyki z tworzyw sztucznych: a) łożyska kulkowego, b) skośnego łożyska kulkowego, c) wzdłużnego łożyska wałeczkowego, d) łożyska igiełkowego, e) skośnego łożyska kulkowego, f) łożyska stożkowego, g) łożyska walcowego, h) łożyska stożkowego
7.3.2. Materiały łożysk tocznych Pierścienie i elementy toczne Najczęściej stosowanymi materiałami na pierścienie i elementy toczne standar dowych łożysk tocznych jest stal łożyskowa chromowa hartowana na wskroś 100 Cr-W (Nr: 1.3505). Są stosowane także inne stale łożyskowe: chromowo-manganowe i cliromowo-molibdenowe hartowane na wskroś, stale do nawęglania chromowo-niklowe i manganowo-chromowe. Twardość elementów funkcjonal nych HRC = 62±3. W podwyższonej temperaturze pracy (t > 120°C) są stosowane stale do ulep szania (np. 44Cr2 - W (Nr: 1.3561), CT54 - W (Nr:1.1219) lub 48CrMo4 W (Nr: 1.3565)), które dzięki specjalnej obróbce cieplnej (stabilizacja) nie wykazu ją zmian wymiarowych. W wysokiej temperaturze (/ > 300°C) są stosowane stale stopniowo hartowane (np. 80MoCrV42 16-W Nr:1.3551). W korozyjnych warun kach pracy stosuje się wysokostopowe stale chromowe lub chromowo-molibdenowe. Łożyska z tych stali mają niższą trwałość w wyniku zmniejszonej twardości. Koszyki Materiały koszyków muszą wykazywać dużą wytrzymałość na obciążenia me chaniczne i odporność chemiczną na środki smarne. Z reguły stosuje się koszyki
tłoczone z blachy stalowej (taśmy wysokotłoczne). Przy podwyższonych wymaga niach w zakresie dokładności toczenia lub przy bardzo dużych łożyskach (granicz na prędkość obrotowa!) są stosowane mosiężne koszyki masywne. Postęp w dziedzinie materiałów polimerowych umożliwia wykorzystanie na koszyki po liamidu 66 wzmocnionego włóknem szklanym. 7.3.3. Klasyfikacja i charakterystyki łożysk tocznych Podane na rysunkach 7.7+7.10 nazwy łożysk tocznych wynikają z następują cych kryteriów klasyfikacyjnych: • z nominalnego kąta działania (kąt a między prostą łączącą punkty nieobciążonego styku elementu tocznego z bieżnią w pierścieniu zewnętrznym a prostą normalną do osi łożyska): łożyska poprzeczne i łożyska wzdłużne; • z kształtu elementów tocznych: łożyska kulkowe, wałeczkowe, igiełkowe, stożkowe, baryłkowe; • z możliwości wychylania pierścieni: łożyska zwykłe, wahliwe, samona stawne; • z uzupełniających cech geometrycznych (liczba rzędów, rozmieszczenie bieżni pomocniczych, wbudowanie uszczelnienia lub blaszki ochronnej).
Rys. 7.7. Łożyska promieniowe kulkowe: a) jednorzędowe zwykle, b) dwurzędowe zwykle, c) wahliwe, d) jednorzędowe skośne; e) dwurzędowe skośne, f) czteropunktowe
b)
a)
c)
45 ^
NU
NJ
NJ
Rys. 7.8. Łożyska promieniowe wałeczkowe: a) walcowe, b) dwurzędowe baryłkowe, c) stożkowe
b)
c)
d)
Rys. 7.9. Łożyska promieniowe igiełkowe: a) z pierścieniem wewnętrznym, b) bez pierścienia wewnętrznego, c) z tulejką, d) z zamkniętą tulejką
Rys. 7.10. Łożyska wzdłużne: a) kulkowe jednokierunkowe, b) kulkowe dwukierunkowe, c) wal cowe, d) baryłkowe
Normalizacja łożysk tocznych obejmuje główne wymiary łożyska, tzn. d średnicę otworu, D - średnicę zewnętrzną, B - szerokość, r - promień zaokrągle nia. W znormalizowanym systemie oznaczeń każde łożysko ma kod, składający się z grupy jego cech oznaczonych cyframi i literami. W kodzie istnieje określona sekwencja i hierarchia oznaczeń (rys. 7.11) obejmująca: • rodzaj łożyska, • odmianę wymiarową średnicową (szczególnie lekka, bardzo lekka, lekka, średnia i ciężka), tzn. zadanej średnicy wewnętrznej d odpowiada szereg odmian łożysk o różnych średnicach zewnętrznych D, • odmianę wymiarową szerokościową (bardzo wąska, normalna, szeroka), tzn. zróżnicowanie ze względu na stosunek szerokości B do średnicy d, • wartości średnicy otworu d, • odmianę konstrukcyjną i wykonanie specjalistyczne.
Typ łożyska jest określany przez rodzaj i odmianę konstrukcyjną, natomiast se ria łożysk - przez rodzaj i odmiany wymiarowe i konstrukcyjne. Na rysunku 7.11 podano przykłady znormalizowanych oznaczeń łożysk.
dwie uszczelki gumowe dokładność wykonania
d=6«5=30mm
ł-
odmiana średnicowo lekka 2
(-
luz powiększony
odmiana szerokości wąska 0
ł-
obniżory poziom drgań
kulkowe
zwykte
—t 6
2 0 6 2RS P536
kulkowe
skośne
~» 7
2 12 B
kulkowe s k o ś n e c z t e r o punktowe z dzielonym —»QJ pierścieniem wewnętrznym walcowe; wewnętrzna -łNU bieżnia bez obrzeży walcowe: wewnętrzna bieżnia z jednym —łNJ obrzeżem baryłkowe p o p r z e c z n e - i 2 stożkowe
poprzeczne
-ł
-kqt działania a=40°
2 08 3 08 23 28
E
22 10
CCK
-zwiększona n o ś n o ś ć odmiana CC z otworem stożkowym K i luzem C3
C3
3 02 15 wykonanie łożyska
seria łożyska rodzaj łożyska
4
odmiana konstrukcyjna
odmiana
4
średnica otworu
wymiarowa
Rys. 7.11. Znormalizowane oznaczenia łożysk
7.4.
K i n e m a t y k a i d y n a m i k a łożysk tocznych
Łożysko toczne można rozpatrywać jako mechanizm planetarny (rys. 7.12), w którym pierścienie są kołami centralnymi a i b, elementy toczne - satelitami g, a koszyk - jarzmem h.
Rys. 7.12. Kinematyka łożyska tocznego
Rozpatrując prosty przypadek obracającego się pierścienia wewnętrznego (co > 0), przy nieruchomym pierścieniu zewnętrznym (co = 0), można wyznaczyć prędkości metodą graficzno-analityczną: a
b
V =0,5-co -d a
a
a
Prędkość kątowa wałeczka czy kulki względem ich osi obrotu: V - V d Prędkość kątowa wałeczka wokół osi wału równa jest prędkości kątowej koszy ka: V,. 1 • = 0,50), co,. = 0,5<„ ' ~~'l + Djd Koszyk obraca się w tę samą stronę co wał z prędkością kątową w przybliżeniu równą połowie prędkości kątowej wału. Ze wzrostem średnicy D elementów tocz nych maleje prędkość kątowa koszyka. Oznacza to, że dokładność wykonania średnic D elementów tocznych w danym łożysku ma duże znaczenie dla hamowa nia (lub przyspieszania) koszyka przez elementy toczne i powstawania nacisków dynamicznych. Siły tarcia w łożysku, związane ze wspomnianą niedokładnością prowadzą do zużycia koszyka i elementów tocznych, do wzrostu strat w łożysku i przypadków zniszczenia koszyka. m
e
e
W ogólniejszym przypadku (rys. 7.13a) obracania się zarówno wewnętrznego, jak i zewnętrznego pierścienia z prędkościami kątowymi (cw„ > 0 i cou > 0) przy złożonym stanie obciążenia (F > 0 i F > 0) analizę kinematyczną łożyska prze prowadzono po przyjęciu wymiarów średnicowych: d d,„— Ą / c o s a d = d,„ + Z/ycosa r
0
=
a
b
Rys. 7.13. Kinematyka i dynamika łożysk kulkowych: (a) kinematyka, (b i c) siły odśrodkowe i momenty żyroskopowe
Prędkość kątowa koszyka: co,, = 0,5 co,
D
1
*
1
-COSGC
D. ± ty. 1 + dcosa
(uwaga: znak „+" przy zgodnym, znak „ - " przy przeciwnym zwrocie prędkości kątowych co i co ). a
b
Prędkość kątowa elementu tocznego (wokół własnej osi): co,- co co =•
D
• cos a
d
Przy obracaniu elementów tocznych wokół osi łożyska na każdy z tych elemen tów działa siła odśrodkowa F przenoszona przez pierścień zewnęfrzny (rys. 7.13b): o d
p
_">-(o'„-d
m
gdzie: m - masa kulki lub wałeczka. Naprężenia kontaktowe na pierścieniu zewnętrznym p są mniejsze od naprę żeń na pierścieniu wewnętrznym pn , stąd dodatkowe obciążenie od sił odśrodko wych w zasadzie nie ma wpływu na pracę łożyska w granicach dopuszczalnych katalogowych prędkości obrotowych. W szybkobieżnych łożyskach wzrasta wpływ sil odśrodkowych, nawet przy najwyższych klasach dokładności łożysk o zmniejszonych średnicach kulek i średniej średnicy łożyska. Wówczas dalsze zmniejszenie masy elementu tocznego osiąga się przez zastosowanie materiału o mniejszej gęstości (ceramiczne elementy toczne z azotku krzemu S 1 3 N 4 ) . W łożyskach kulkowych wzdłużnych (rys 7.13c) szczególnie niekorzystny jest wpływ siły odśrodkowej (działanie na koszyk „rozkłinowanych" pierścieni powo duje wzrost tarcia i zużycia). Na kulki łożyska oporowego (rys. 7.13c) działa także moment żyroskopowy T =0 • co • co • sina ( 0 - masowy moment bezwładności kulki względem Hb
a
z
m a x
h
własnej osi obrotu, a - kąt nacisków), który dąży do obrotu kulki w kierunku pro stopadłym do kierunku obrotu. Obracanie kulek przy działaniu momentu T jest związane z dodatkowymi stratami, z tarciem i ze zużyciem. W łożyskach promie niowych (a = 0) nie występuje moment żyroskopowy. Dynamiczne czynniki mają ujemny wpływ przede wszystkim na łożyska kulkowe wzdłużne ( « = 7 t / 2 ) , a w mniejszym stopniu na kulkowe skośne (a > 0), stąd ich graniczne prędkości obrotowe są mniejsze niż prędkości łożysk poprzecznych. 2
7.5.
N o ś n o ś ć łożysk tocznych
7.5.1. Powstawanie uszkodzeń łożysk tocznych Zdolność łożysk tocznych do pełnienia ich funkcji jest zależna od procesów zmęczenia stykowego powierzchni i zużycia powierzchniowego, które w sposób naturalny ograniczają trwałość łożyska. Normalne postacie zniszczenia - zmęczenie i zużycie
Rys. 7.14. Postacie uszkodzeń łożysk tocznych: a) początkowa faza stykowego zmęczenia (wi doczne początkowe wyrwanie powierzchni wywołane lokalnym spiętrzeniem naprężeń na wierz chołkach nierówności); b) zluszczona bieżnia pierścienia wewnętrznego łożyska kulkowego; c) zużycie ścierne; d) brinellowane odkształcenia plastyczne spowodowane wysokimi obciążenia mi udarowymi; e) złuszczenia na brzegu bieżni przy skoszonym zamocowaniu pierścienia; t) wgłębienia na bieżni łożyska kulkowego wahliwego spowodowane korozją cierną
W początkowej fazie zmęczenia powierzchniowego następują jakościowe zmiany w materiale warstwy wierzchniej wywołane przetaczaniem się elementów tocznych po bieżniach i efektami ścierania powierzchni. Na rysunku 7.14a przed stawiono początkowe wyrwania powierzchni wywołane lokalnym spiętrzeniem naprężeń na wierzchołkach nierówności. Później rozwój procesu zmęczenia pro wadzi do lawinowego złuszczenia powierzchni bieżni pierścieni lub elementów tocznych (rys. 7.14b). Wykruszanie może występować od powierzchni w głąb ma teriału, lub też może być inicjowane w warstwie podpowierzchniowej. Wielokrotne odkształcenia mikroobjętości materiału przy przetaczaniu mogą się objawiać po czątkowym lub normalnym pittingtem lub łuszczeniem warstwy powierzchniowej. Powstawanie i rozwój mikropęknięć przebiega odmiennie przy toczeniu z pośli zgiem i przy „czystym" toczeniu. W warstwach powierzchniowych przy toczeniu powstają naprężenia ściskające w kierunkach stycznym a i promieniowym a oraz styczne naprężenia tnące T = 0,5(o; - a ). Przy toczeniu z poślizgiem wzrastają naprężenia styczne, a ich maksimum zbliża się do powierzchni, co sprzyja powsta waniu pęknięć i oderwaniu powierzchni. Przy czystym toczeniu niejednorodność struktury, wtrącenia, fazy są przyczyną pęknięć w wyniku koncentracji naprężeń. Założenie Weibulla o ograniczeniu zniszczenia zmęczeniowego do objętości intensywnie naprężonego materiału było podstawą stworzenia przez O. Lindberga i A. Palmgrena teorii obliczeń trwałości łożysk tocznych. W rezultacie zmęczenia wzrastają: hałas, drgania i obciążenia dynamiczne, które w końcowej fazie procesu mogą prowadzić do pęknięcia pier ścienia, najczęściej wewnętrznego, łożyska lub elementu tocznego. Zużycie ścierne wywołuje powstanie nadmiernego luzu w łożysku i zmianę rozkładu nacisków na elementach tocznych. Jak podaje H. Krzemiński-Freda, 20+30% łożysk traci w ten sposób zdolność do pracy. Prędkość zużycia łożyska po docieraniu (po ok. 1 min obrotów) jest siała. Wzrastające luzy wywołują nierównomierną pracę, zwiększony hałas i inne postacie zniszczenia. Powierzchnie współpracy elementów tocznych z bieżniami stają się matowe (rys. 7.14c). Inne postacie uszkodzeń łożysk są spowodowane wieloma czynnikami. Nie zawsze zapewniona jest prawidłowa zabudowa łożyska bez przekoszeń, nadmier nych luzów czy napięć wstępnych łożysk, bez odkształceń cieplnych wałów i kor pusów lub bez ich niedostatecznej sztywności. Przykładowo na tys. 7.14d przed stawiono odkształcenia plastyczne bieżni przy przeciążeniu uderzeniowym obraca jącego się łożyska. Podobne, lecz rzadziej występujące tzw. fałszywe odciski Brinella powstają przy drganiach nieobracającego się łożyska (np. w transporcie mor skim lub lądowym) czy przy nieprawidłowym montażu. Źle przeprowadzony mon taż zmienia charakter śladów współpracy i mogą powstawać lokalne złuszczania na brzegu bieżni, np. przy skoszonym pierścieniu (rys. 7.15e). Przyczyną uszkodzeń mogą być błędy konstrukcyjne wywołujące wcześniejsze uszkodzenia bieżni w wyniku spiętrzenia naprężeń (np. błędy kształtu czopa lub gniazda oprawy, zbyt ciasne pasowania przy osadzaniu swobodnego łożyska, niewspółosiowość). Źró dłem uszkodzeń jest także korozja spowodowana wnikaniem wody, oparami kwax
v
y
v
sów, kondensacją pary wodnej lub niewłaściwym magazynowaniem. Na rysunku 7.14f pokazano wgłębienia (wżeiy) na bieżni łożyska kulkowego wahliwego spo wodowane korozją cienią. Inna grupa uszkodzeń eksploatacyjnych powstaje w wyniku niewłaściwego smarowania i uszczelniania (np. zanieczyszczenie smaru, doprowadzenie do łożyska opiłków kół zębatych), przegrzania łożyska z powsta niem najgroźniejszej postaci zniszczenia przez nagłe zatarcie (zgrzanie elementów tocznych, pęknięcie koszyka) i przepływu prądu przez łożysko (przebicia iskrowe w filmie smaru i odpuszczenie powierzchni). Podsumowując, należy stwierdzić, że istnieje wiele przyczyn przedwczesnych uszkodzeń łożysk tocznych (tab. 7.3). Tabela 7.3. Przyczyny przedwczesnego zużycia łożysk tocznych [ 1 ] Przyczyny
Symptomy
Niedoskonałość konstrukcji węzła łożyskowego lub samego łożyska
zużycie ścierne (złe smarowanie, twarde pyły), niewspólosiowość wału i oprawy, błędy kształtu, zmienna sztywność osadzeń (odkształcenia bieżni, naprężenia), nadmierny luz (zatarcie elementów, pęknięcie koszyka)
Niezgodność doboru łożyska do warunków pracy
drgania, hałas, temperatura, zużycie zmęczeniowe
Niespełnienie warun ków technicznych wykonania elemen tów węzła łożysko wego lub jego mon tażu
plamy korozyjne, po konserwacji, ślady montażowe zacisku łożyska przez ciasne lub luźne pasowania, napięcie wstępne, ciepło, pękanie pierścieni
Odstępstwa od zada nych warunków eksploatacji
wżery korozyjne, korozja cierna, zużycie zmęczeniowe
Niska jakość łożyska lub jego montażu
metalurgiczne (niemetaliczne wtrącenia, węgliki, pęknięcia, odwęglenie warstwy wierzchniej), błędy technologii (rysy, wgnioty w warstwie wierzchniej)
53 u
•O
3
wybór łożyska w kolizji z warunkami pracy
błędy kon strukcyjne zabudowy
£
5
2?
N
zanieczyszczenie środka smarnego
zle smarowanie
Rys. 7.15. Przyczyny przedwczesnych uszkodzeń łożysk tocznych [1 j
7.5.2. Rozkład obciążenia między elementami tocznymi Wyznaczenie zależności między siłami F , obciążenia elementów tocznych a si łą promieniową F obciążenia łożyska (rys. 7.16a) wymaga poczynienia następują cych założeń: ( 1 ) elementy toczne i pierścienie wykazują absolutną dokładność wymiarową, (2) luz promieniowy nie występuje (A = 0); (3) górna część łożyska nie jest obciążona. ę
r
luz 4 = 0
luz 6>0 Itypowyl
Rys. 7.16. Rozkład obciążeń w łożysku tocznym: a) bezluzowym, b) z luzem A, c) w badaniach elastooptycznych
Pod działaniem siły F powstają odkształcenia sprężyste w strefie kontaktu, w wyniku których pierścień wewnętrzny przemieszcza się względem pierścienia zewnętrznego o wielkość <5 . To przemieszczenie <5 na kierunku siły F wystąpi na każdym z i elementów tocznych (/ =1, 2,..., y < 90°). Składowe promieniowe r
max
(5 . = <5
max
-cozię,
gdzie ę = 360°/z
max
r
(z - liczba elementów tocznych w łożysku).
Sprężyste odkształcenia bieżni i elementów tocznych można wyznaczyć z zależności Hertza, z których wynikają odrębne związki dla styków punktowego lub liniowego (patrz zal. 1, tab. 7.4). Z warunków równowagi wynika, że suma składowych pionowych sił F jest równa sile obciążenia zewnętrznego F (zal. 4, lab. 7.4), a składowe poziome znoszą się z racji symetrii układu. Wiążąc zal. 3 i 4 z tabeli 7.4, uzyskuje się zal. 5. Po wprowadzeniu pojęcia współczynnika nierówno miemości obciążenia k„ (zal. 8, tab. 7.4) można wyznaczyć maksymalną siłę F, elementu tocznego (zal. 6, tab. 7.4) i siłę przenoszoną przez i-ty element toczny (zal. 7). W przykładzie obliczeniowym (zal. 9, tab. 7.4) wyznaczono współczynniki nierównomiemości obciążenia w rozpatrywanych łożyskach bez luzu oraz dodat kowo w łożyskach z luzem A > 0 (patrz rys. 7.1). v
r
mx
Tabela 7.4. Wyznaczenie rozkładu obciążenia w łożysku tocznym Początkowy styk
Zal.
Uwaga
Punktowy
liniowy
- zal. Hertza (1) (2)
<5.=A„ -F ' '
—
^max
- zal. Hertza
F
max
<)" = (5 • cosiy
- zal. geometryczne przemieszczenie i-tego elementu przy luzie A=0 - przekształcenie powyższych zależności - zal. równowagi sił na kierunku pionowym - przekształcenie
MIT
czyli:
czyli: (3)
cS F —— = — — = cosiy
<5
F
\
(4)
^• = F
(5)
=F
M M
+2-]TF^-cos/y =
1 + 2- £ c o s iy /=1
M
lub (6)
1
<>
: cos/y
max /
Fr^F^+l-^F^-cosiy--
= F„,
2
+ 2 •£
V
c o s iy
'=1
lub
F = /&•.—£' max "•/; z
- zal. końcowe
F max = £n • —
1
a
- zal. końcowe
F (7)
F
0
=
k
n
•—
-
c o s i
)'
;
f c
V = » • — • cosiy z - zal. końcowe
(8)
gdzie: & =
gdzie: /c = n
1 + 2 - £c o s iy Przy z = 10...20 /c„ = 4,0
(9)
F
. = ± ^
c o s iy Przy z = 10...20 F
' max
-
M
_
przykład obliczeniowy
k„~4,6 _
z przy zwiększonym luzie A > 0 przy zwiększonym luzie A > 0 k„ = 4,34 k„=5 Oznaczenia: \ ~ podatność styku Hertza (Xn = / (modułów sprężystości E , E , współczynniki Poissona V2, v , krzywizny powierzchni w początkowym punkcie kontaktu); k„ - współczynnik nierównomiemości rozkładu obciążenia elementów tocznych; 5 - odkształcenie i-tego elementu; F, - siła przenoszona przez i-ty element; F, - siła promieniowa obciążenia zewnętrznego; c5 , F - odpowiednio odkształcenie i siła centralnego elementu. H
t
z
2
{
max
m a x
Przy obracaniu jednego z pierścieni łożyska (rys. 7.17) styk elementów tocz nych i pierścieni będzie przenosił pulsacyjne obciążenie F, (okresowo tętniące).
' p *
max
F,J
\
\
\
1 obrót Rys. 7.17. Stykowe obciążenie zmęczeniowe
n ^1
Współczynnik nierównomiemości obciążenia k„ = F /F„, ma znaczący wpływ na obciążenie styku. Na rysunku 7.18 przedstawiono wpływ sposobu przyłożenia reakcji do korpusu, wpływ grubości obudowy i wpływ grubości pierścienia rolki tocznej na rozkład F obciążenia w łożysku i wartości maksymalnego obciążenia F elementu tocznego. nm
v
m a x
C*12 kN
9. mm F ,, ma
kN
0
2,5
11,3 10,8
75
12,5
20
9,95
9,1
6,85
Rys. 7.18. Wpływ konstrukcji węzia łożyskowego na rozkład obciążenia F i na maksymalne obciążenie F : a) wpływ sposobu przyłożenia reakcji do korpusu; b) wpływ grubości rolki; c) wpływ ukształtowania korpusu ę
m a x
7.5.3. Nośność statyczna łożysk Potrzebę ograniczenia obciążenia statycznego [2] łożysk zasugerował A. Palmgren w 1930 r. Pierwsze pojęcie nośności statycznej wprowadziła w 1940 r. firma SKF. Zdefiniowano wówczas nośność statyczną jako obciążenie wywołujące w
jednym z dwóch miejsc najbardziej obciążonego styku elementu tocznego trwale odkształcenie plastyczne 5 = 10' L\ (D - średnica elementu tocznego [mm]). Trwałe odkształcenia plastyczne w strefie styku elementów tocznych z bieżniami pierścieni są powiązane z maksymalnymi naprężeniami stykowymi przy obciąża niu centralnego elementu maksymalną s i ł ą F (patrz pkt 7.4.2). Przykładowo dla łożysk kulkowych z luzem można wyznaczyć maksymalną si lę 7 max w styku, wynikającą z nierównomiemości rozkładu obciążenia: 4
e
max
?
z
i z naprężeń Hertza:
fl
4 =
a
H
•d
0
3
max
gdzie: a - naprężenia Hertza, do - średnica kulki, X - współczynnik uwzględ niający sprężyste właściwości E i v części łożyska, sprowadzone promienie krzywizny stykających się ciał (x = 1,1+1,16) dla standardowych łożysk. Z porównania powyższych zależności, przy założeniu, że maksymalna siła od powiada promieniowej nośności spoczynkowej ( F = Co): H
0
0
max
4 t>A
0
Związki nośności statycznej Gj z naprężeniami Hertza były rozpatrywane już w 1943 r. w pracach Lundberga i Palmgrena. Te prace stały się podstawą nowej me tody obliczeń nośności statycznej w ISO 76 /1978 r. Pojęcie nośności statycznej jest związane ze statycznym obliczaniem łożysk, za równo nieobracających się, jak i wykonujących powolne ruchy obrotowe (n < < 10 obr/min) lub waliliwych, a także obracających się przy krótkotrwałym obcią żeniu uderzeniowym. Procesy kształtowania się sprężysto-plastycznych odkształ ceń w mikroobszarach kontaktu i mikroobszarach nierówności powierzchni mają zawsze charakter dynamiczny, nawet przy statycznym obciążeniu (zmiany wielko ści i charakteru poślizgów i obciążenia w styku). Procesom tym towarzyszy zuży cie ścierne i korozja cierna. W normie ISO 76 wprowadzono pojęcia promieniowej Co,-i osiowej C nośności statycznej. Statyczna nośność promieniowa Co, jest „statycznym promieniowym obciąże niem, które wyznacza się obliczeniowo dla najbardziej obciążonego styku między elementami tocznymi a bieżniami przy ograniczeniu naprężeń Hertza do wartości: 4600 MPa - dla łożysk kulkowych waliliwych; 4200 MPa - dla innych rodzajów promieniowych łożysk kulkowych; 4000 MPa - dla promieniowych łożysk walco wych". Statyczna nośność osiowa Co„ jest „statycznym centralnym osiowym obciąże niem, które wyznacza się obliczeniowo w najbardziej obciążonym styku przy ogra niczeniach naprężeń Hertza do wartości: 4200 MPa - dla wzdłużnych łożysk kul kowych i 4000 MPa dla wzdłużnych łożysk walcowych". 0o
Należy zwrócić uwagę, że w łożyskach o styku liniowym rozkład obciążeń pla stycznych na długości wałeczka jest nierównomierny, tzn. znacznie większe od kształcenia plastyczne występują u czół wałeczka (efekt brzegowy) niż w środku jego długości. Współcześnie uzyskuje się dzięki modyfikacji geometrii styku znacznie mniejsze szczytowe naprężenia brzegowe, co poprawia nośność statyczną (rys. 7.19). a)
c)
fl
1 M I
1111(1
<5 1
=2.5rł
TH3X
-o
b) <5
= ł.3 <S
Rys. 7.19. Maksymalne plastyczne odkształcenia na końcu wałeczka <5 w zależności od od kształceń S na środku długości wałeczka przy modyfikacji styku liniowego: a) wałeczek z ostrymi narożami <5,„ = 6 S; b) wałeczek o zaokrąglonych narożach i stożkowej powierzchni przejściowej typu ZB <5 = 4,3 5; c) wałeczek baryłkowy typu BB (5 = 2,5 S max
ax
max
max
Przy złożonym promieniowo-osiowym obciążeniu łożyska należy wyznaczyć jego statyczne obciążenie zastępcze: • łożysko promieniowe: F = Ao F + Y F , • łożysko wzdłużne: F =X F + YQ F ; 0R
0A
0
R
R
0
A
A
gdzie: F i F„ - siły promieniowa i osiowa działające na łożysko; X i Y współczynniki promieniowy i osiowy. Wymiarowanie łożyska ze względu na nośność statyczną z wykorzystaniem katalogu łożysk polega na: • wyznaczeniu statycznego zastępczego obciążenia F ,- lub F ; • doborze statycznego współczynnika bezpieczeństwa Są uwzględniającego charakter obciążenia (od spokojnego do uderzeniowego), warunki ruchu (obracające się lub nieobracąjące się łożysko) oraz rodzaj łożyska (kulkowe lub wałeczkowe), charakter pracy (spokojność biegu łożyska od umiarko wanej do wysokiej); zmiany wartości współczynnika 5 przy normalnych wymaganiach co do spokojności biegu dla obracających się łożysk wahają R
A
0
Ua
0
0
się w g r a n i c a c h So = 1 + 1,5 d l a ł o ż y s k k u l k o w y c h i S - 1,5+3 d l a ł o ż y s k w a l c o w y c h w z a l e ż n o ś c i od c h a r a k t e r u o b c i ą ż e n i a ; s z c z e g ó l n i e t r u d n o jest ustalić w a r t o ś ć So p r z y o b c i ą ż e n i a c h u d e r z e n i o w y c h (stałe o d k s z t a ł c e n i e bieżni, trudności w wyznaczeniu obciążeń, odkształcenia oprawy zmienia j ą c e r o z k ł a d o b c i ą ż e ń w ł o ż y s k u ) ; z n a c z n i e m n i e j s z e w a r t o ś c i So = 0 , 4 + 1 (dla ł o ż y s k k u l k o w y c h ) i S = 0 , 8 + 2 ( d l a ł o ż y s k w a l c o w y c h ) p r z y j m u j e s i ę d l a n i e o b r a c a j ą c y c h się ł o ż y s k ; w y z n a c z e n i u s t a t y c z n e j n o ś n o ś c i ł o ż y s k a Co, = SoF l u b C = S F „ i p o równanie wyznaczonej wartości z katalogową nośnością statyczną ( C , < 0
0
•
0r
0a
0
0
0
C , kat l u b 0
Coo < Coakat)-
7.5.4. Nośność dynamiczna łożysk Obliczenia łożysk ze w z g l ę d u na zmęczenie powierzchniowe (pitting) są oparte na z n a n y m równaniu W ó h ł e r a krzywej zmęczenia:
a"-N
(7.1)
=G
gdzie: a - z m i e n n e n a p r ę ż e n i e cyklu, N - liczba cykli zmian n a p r ę ż e ń a d o z n i s z c z e n i a e l e m e n t u ; m i G - stałe z a l e ż n e o d w ł a ś c i w o ś c i materiału i stanu powierzchni. Wykorzystuje się przy t y m nieliniowy związek między naprężeniami stykowy mi cr„ (naciskami s t y k o w y m i ) a działającym na łożysko obciążeniem F: m
(7.2) gdzie: A - w s p ó ł c z y n n i k zależny od p r o m i e n i k r z y w i z n y stykających się ciał, r o z k ł a d u obciążenia m i ę d z y e l e m e n t a m i t o c z n y m i oraz m o d u ł ó w sprężystości E, i w s p ó ł c z y n n i k ó w P o i s s o n a v, części ł o ż y s k a ; b - stała (6 = 3 dla ł o ż y s k kul k o w y c h i b = 2 dla ł o ż y s k w a l c o w y c h ) . Liczba cykli obciążenia /v zależy od liczby obrotów E w czasie pracy łożyska: (7.3) N - B-L gdzie: B - w s p ó ł c z y n n i k zależny od liczby e l e m e n t ó w t o c z n y c h , średniej ś r e d n i cy łożyska, ś r e d n i c y e l e m e n t ó w t o c z n y c h i kąta kontaktu, L - trwałość w r u c h u obrotowym Oczywiście trwałość L jest różna dla e l e m e n t ó w tocznych i bieżni tocznych. P o podstawieniu zależności (7.2) i (7.3) do (7.1) otrzymuje się:
A-B• F"
-G
Po w p r o w a d z e n i u o z n a c z e ń
G A-B mamy:
= C
(7.4)
p
c
= L [minobr.] =
6T0"Vl
n
gdzie: C - nośność dynamiczna [N]; p - wykładnik potęgowy (z danych do świadczalnych: p = 3 (w = 9) przy początkowym styku punktowym występują cym w łożyskach kulkowych; p = 10/3 (m = 6,66) przy początkowym styku li niowym w łożyskach wałeczkowych); L - trwałość [h]; F - dynamiczne obcią żenie zastępcze [NJ; n - prędkość obrotowa [min" ]. Teoria obciążalności łożysk jest oparta na statystycznej teorii Weibulla pękania materiałów kruchych, zastosowanej przez Lundberga i Palmgrena do łożysk tocz nych. W normie ISO 281 zdefiniowano nośność dynamiczną C łożyska tocznego, roz różniając pojęcia nośności promieniowej C i osiowej C . „Nośność dynamiczna C (lub C„) jest stałym co do wielkości i kierunku obcią żeniem promieniowym F (lub obciążeniem centralnym osiowym F dla C ), które łożysko toczne teoretycznie może przejąć przy nominalnej trwałości 10 obrotów". Nominalna trwałość jest „obliczeniową granicą trwałości dla pojedynczego łożyska lub grupy łożysk o tych samych warunkach pracy wyznaczoną z 90-procentowym prawdopodobieństwem przetrwania przy współcześnie stosowanych materiałach, powszechnie przyjętej jakości wytwarzania i zwykłych warunkach obsługi". Trwałością łożyska jest „liczba obrotów, którą pierścień (lub tarcza) łoży ska wykona względem innego pierścienia lub tarczy do pojawienia się pierwszych objawów zmęczenia materiałowego na obu pierścieniach (lub obu tarczach) lub na elemencie tocznym". Pierwszymi oznakami zmęczenia są z reguły zniszczenie na bieżniach tocznych lub elementach tocznych. Nadmienić należy, że ograniczone 90-procentowe prawdopodobieństwo zniszczenia oznacza, iż połowa badanych łożysk osiągnie przy tym prawie pięć razy większą trwałość. Wartości nośności dynamicznej C dla różnych rodzajów i serii powszechnie stosowanych łożysk tocz nych są podawane w katalogach firmowych (SKF, FAG, NASK, Steyer, Timker, Torrington). W przypadku złożonego obciążania promieniowo-osiowego wielu łożysk pro mieniowych i kilku łożysk osiowych należy wprowadzić dynamiczne obciążenie zastępcze, które przy porównaniu rzeczywistego złożonego obciążenia z idealnym przypadkiem obciążenia czysto promieniowego zapewni zdefiniowaną nośność dynamiczną łożyska. Obciążenie zastępcze Fjest zależne od wamnlców obciążenia (ruchu względnego określonego pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego względem obciążenia), od równoległości bieżni i luzu łożyska (klasa dokładności łożyska). F = X • F. + Y • F [N] (7.5) h
1
r
u
r
r
a
a
6
u
gdzie: F - obciążenie promieniowe [N], F - obciążenie wzdłużne [N]; X współczynnik przeliczeniowy obciążenia promieniowego, Y - współczynnik przeliczeniowy obciążenia wzdłużnego (na adekwatne zmęczeniowo obciążenie poprzeczne). r
a
W podsumowaniu poglądów firm łożyskowych na dobór dynamicznego obcią żenia łożyska (składowe F, i F„) można stwierdzić, że zaleca się uwzględniać nad wyżki dynamiczne w przekładniach zębatych, zwiększające obciążenia statyczne wynikające z przenoszonej mocy i prędkości obrotowej (A/ = \/.A' ,K, , gdzie d
K - współczynnik zastosowań, K - współczynnik dynamiczny dla przekładni zębatych, M - moment obrotowy). W przekładniach cięgnowych uwzględnia się naciąg cięgna, a także dynamikę wewnętrzną przekładni (np. łańcuchowej). Przy zmiennym obciążeniu łożyskowania F(t) wynikającym z histogramu ob ciążenia maszyny widmem sił F-, działających przez liczbę obrotów U; wyznacza się średnie stale obciążenie F,„ wg zależności: A
v
F^^U^^j
(7.6)
zarówno dla łożysk o styku promieniowym, jak i liniowym. Związek między trwałością nominalną a obciążeniem dotyczy łożysk wykona nych z konwencjonalnej stali łożyskowej, pracujących w najczęściej spotykanych warunkach eksploatacji. Zmodyfikowane równanie trwałości (ISO 281 z 1977 r.) dodatkowo uwzględnia wpływ materiału (skład chemiczny od stali do węglików spiekanych i ceramiki, proces hutniczy od przetopu normalnego do próżniowego, argonowanie stali; różne półfabrykaty, od wlewka do proszków metali; obróbkę i stabilizację cieplną), wpływ prawdopodobieństwa zmęczenia dla wartości mniej szych niż 10%, wpływ warunków eksploatacji (skład i dodatki uszlachetniające środek smarny, zanieczyszczenia smaru i obecność wody) oraz wpływ warunków smarowania związanych z grubością filmu elastohydrodynamicznego i chropowa tością warstwy wierzchniej). Nominalna trwałość zmęczeniowa: CY _,, = I - -
10° 6
[10 obrotów] lub /,,, =
(C\ • —
500-33J-60.I,, [h] =
6 0 - H \FJ
F
H-60
co przy oznaczeniach współczynnika prędkości / „ = 3|33-^//7 i współczynnika trwałości
= %JLJ'500 prowadzi do uproszczonej postaci nominalnego równa
nia trwałości.
Zmodyfikowana trwałość zmęczeniowa L
mi
6
= <7, • a • a • L 2
3
n
[ 1 0 obrotów] = a • a x
23
•L
n
lub A
L
ha
= « 1 -2
-
F L
3
W
A
A
L
= \- LI- H
gdzie: a - współczynnik niezawodności, a - współczynnik materiałowy, c/3 współczynnik warunków pracy i smarowania, a = a • a - współczynnik łącz ny wpływu materiału i warunków'pracy (wg katalogu łożysk - rys. 7.20). t
2
21
90 1
Niezawodność [%] Współczynnik a.
95 0,62
96 0,53
2
l
98 0,33
97 0,44
99 0,21
Rys. 7.20. Zależność kompleksowego współczynnika A Ł jakości materiału i warunków pracy od warunków eksploatacji K = V/V, (v - lepkość w warunkach eksploatacyjnej temperatury pracy, rą lepkość wymagana z uwagi na prędkość na powierzchniach roboczych); zakres 1 - pełne rozdzie lenie powierzchni stykowych filmem olejowym, bardzo czysty olej o dużej lepkości przy średnich i dużych prędkościach obrotowych K = 4; zakres normalnej pracy większości łożysk; zakres II dobra czystość oleju z dodatkami uszlachetniającymi przy C/F > 0,1; zakres 111 niewłaściwej eksploatacji - zanieczyszczony olej i niewłaściwy dobór środka smarującego; a - stale wytopu próżniowego i elektrożużlowego, b - stale wytopu konwencjonalnego 2
E
W podwyższonej temperaturze pracy obniża się twardość materiału, co ma istotny wpływ na zmniejszenie trwałości zmęczeniowej: L =L -f, [10* obr.] l u b I = L „ - . / ; [h] gdzie f, - współczynnik temperaturowy. mi
m
Temperatura robocza [°C] Współczynnik /,'
h a t
< 150 1
200 0,73
a
250 0,42
300 0,22
Zauważyć należy, że zachowanie łożyska w podwyższonej temperaturze zależy także od stabilności wymiarowej pierścieni, zmian właściwości środka smarnego i materiałów koszyka oraz uszczelnień.
7.5.5. Wybór łożysk tocznych Wybór łożysk tocznych jest zagadnieniem wieloaspektowym i wielowariantowym. Podstawowymi kryteriami wyboru są: (1) wartość i kierunek obciążenia, to znaczy wartości F i FJF ; (2) osiowa i kątowa ruchliwość pojedynczej podpory tocznej lub podpory tocznej złożonej z dwóch łożysk skośnych (kulkowych lub skośnych) w układzie rozbieżnym O, zbieżnym X lub tandemowym T (lys. 7.21); (3) możliwość montażu (łożyska jednoczęściowe lub wieloczęściowe); (4) cena łożyska. r
a)
r
b)
c)
Rys. 7 . 2 1 . Układy łożysk skośnych: a) układ O, b) układ X, c) układ T (pominięto kreskowanie półprzekrojów pierścieni łożysk)
Wspomniane kryteria wymagają krótkiego komentarza. Układy łożysk sko śnych mogą zapewniać: małą ruchliwość kątową lub silnie ograniczone wychylenie kątowe (np. układ rozbieżny O przy regulowanym napięciu wstępnym F > 0). Układy tandemowe są stosowane tylko w celu zwiększenia nośności. Przy napięciu wstępnym F > 0 zważać należy na wydłużenie cieplne wału (możliwość za kleszczenia wstępnie napiętych łożysk w układzie X). Łożyska skośne wymagają „nastawiania" przy montażu w celu uzyskania okre ślonych luzów promieniowych lub osiowych, lub też określonych sił napięcia wstępnego. W łożysku skośnym przy czysto promieniowym obciążeniu F ele mentu tocznego powstaje składowa osiowa F = F • t g a , która przez napięcie aw
aw
r
a
r
wstępne musi być zlikwidowana. Układ X dwóch łożysk wstępnie napięty siłami F , po obciążeniu roboczą siłą F wykazuje odciążenie jednego z łożysk i dociążenie drugiego, co ma wpływ na promieniowy rozkład obciążenia elemen tów tocznych i na trwałość. Tak więc na wybór łożysk mają wpływ nie tylko normalne ograniczenia roz wiązywanego zadania konstrukcyjnego, zapewniające wiele wariantów wyboru typu łożyskowania i typu łożyska oraz ich serii w katalogu łożysk. Znaczenie mają także wymagania konstrukcyjno-eksploatacyjne, często nie sformułowane wprost (np. możliwość zabudowy wzmocnionego łożyskowania przy tej samej średnicy wału, samoustalenia łożysk przy zbyt małej sztywności wału, napięcia wstępnego łożysk szybkoobrotowych za pomocą sprężyn talerzowych lub talerzowych rozcięm
a
tych bądź falistych, regulacji luzu za pomocą wciskanych lub wyciąganych tulei stożkowych, zastosowanie wolno stojących lub kołnierzowych opraw do łożysk czy możliwość uszczelnienia). Podstawowym wymaganiem jest trwałość łożyska, wyrażana w godzinach pra cy lub rzadziej w kilometrach jazdy pojazdu. Wymagana trwałość łożyska wynika z zadanego czasu pracy maszyny i może jej odpowiadać bezpośrednio (np. maszy ny o krótkim czasie pracy lub pracujące z przerwami, np. maszyny rolnicze, apara tura medyczna, sprzęt gospodarstwa domowego, dźwignice) lub być jej podwielokrotnością (wymiana łożysk przy remoncie maszyn pracujących całodobowo, np. papierniczych, kopalnianych, walcarek, sprężarek, wentylatorów). Wybór łożyska, tocznego przez konstruktora ma charakter kryterialny. Kryte riami wyboru są obciążalność promieniowa i (lub) osiowa, graniczna prędkość obrotowa, sztywność promieniowa i osiowa. W tabeli scharakteryzowano łożyska toczne ze względu na podane kryteria (tab. 7.5). Tabela 7 . 5 . Charakterystyka łożysk - wybór rodzaju łożyska tocznego
Rodzaj łożyska Kulkowe zwykle
Obciążalność promieniowa umiarkowana
Kulkowe o podwyższonej nośności Kulkowe skośne
umiarkowana
Walcowe
duża
Baryłkowe
duża
Igiełkowe
umiarkowana do wysokiej
Stożkowe jednorzędowe
duża (minus)
Stożkowe dwurzędowe Kulkowe wzdłużne Walcowe wzdłużne Baryłkowe wzdłużne
duża
(plus) umiarkowana
żadna żadna ograniczona
Obciążalność osiowa umiarkowana w dwóch kierunkach umiarkowana w jednym kierunku umiarkowana (plus) - jeden kierunek żadna
Prędkość graniczna duża
Sztywność promieniowa umiarkowana
Sztywność osiowa mala
duża
umiarkowana (plus)
mała (plus)
duża (minus)
umiarkowana
umiarkowana
umiarkowana duża (plus) umiarkowana - umiarkowana duża (minus) dwa kierunki żadna umiarkowana umiarkowana do bardzo do wysokiej wysokiej umiarkowana umiarkowana duża (minus) (plus) - jeden kierunek umiarkowana - umiarkowana duża dwa kierunki duża - jeden umiarkowana - żadna kierunek minus duża (plus) mala żadna jeden kierunek duża (plus) mała żadna jeden kierunek
żadna umiarkowana żadna
umiarkowana
umiarkowana duża duża (plus) duża (plus)
Koszty zakupu są także ważnym kryterium wyboru łożysk tocznych. Najtańsze są najbardziej rozpowszechnione poprzeczne łożyska kulkowe zwykłe. Łożyska stożkowe są przykładowo 1,35 razy droższe, a kulkowe skośne jednorzędowe dwa razy droższe [4j. W wyniku porównania wartości produkcji danego typu łoży ska z liczbą wyprodukowanych sztuk uzyskuje się ich koszty względne. Na pod stawie porównania liczby wyprodukowanych łożysk określa się ich znaczenie apli kacyjne. Na rysunku 7.22 przedstawiono ilościowe i wartościowe udziały w produkcji różnych łożysk tocznych (dane firmy FAG Niemcy 1986 r.).
udział ilościowy
"dział wartościowy
Rys. 7.22. Produkcyjne udziały ilościowe i wartościowe różnych rodzajów łożysk
Koszty zakupu łożyska wg badań firmy Goetze z 1980 r. w wyraźny sposób za leżą od średnicy czopa (rys. 7.23), przy czym charakterystyczną rzeczą jest wyraź ne minimum funkcji kosztu w obszarze najbardziej wykorzystywanych łożysk (średnica d = 30+55 mm).
D l o _ y „ _ . b _ r y » ; © w e 2 U K.Cł V t " J ł * a kulkowe w»hl,we 1 3 K . O
0
50
100
150
200
mm
300
Rys. 7.23. Zależność kosztów zakupu łożysk od średnicy czopa wału
Z A D A N I E 7.1. W y z n a c z nominalną trwałość zmęczeniową L
łożysk wału z kołem
h
z ę b a t y m o z ę b a c h p r o s t y c h . Siła m i ę d z y z ę b n a
F = Z
F
2
+ F
2 R
obciążająca
wał oraz
prędkość obrotowa wału n mają zmienne wartości odpowiadające histogramowi:
Udział czasowy [%]
<7,=25] q
2
= 4 0 P T c / , = 100
3 = 3 5 J
Siła międzyzębna F- [N]
Prędkość obrotowa n [obr/min]
F-j = 4 0 0 0
n, = 800
F
= 2000
17, = 2300
= 300
7i = 2800
!2
F
2i
3
D a n e : o b y d w a ł o ż y s k a t o c z n e są ł o ż y s k a m i k u l k o w y m i z w y k ł y m i 6 2 0 9 o w y m i a r a c h 0 4 5 x 0 8 3 x 1 9 przy nośności dynamicznej C - 33 200 N i nośności spoczynkowej C = 18 6 0 0 N ( w g k a t a l o g u S K F ) .
0
=
S c h e m a t
o b c i ą ż e n i a
w a ł u (wymiary w mm):
R o z w i ą z a n i e : R
B = F . - - = 0,5F
r
R =F R =l,SF A
l+
B
z
T r w a ł o ś ć b a r d z i e j o b c i ą ż o n e g o ł o ż y s k a A w y z n a c z o n o za p o m o c ą n a s t ę p u j ą c e g o a l g o rytmu: •
średnie obciążenie stale łożyska przy F
rj
F„
A
= l,5F.:
= 3
1 Yjq>n' 3
=
- R
3
3
Ml,5-4OO0) • 25• 800 + (1,5• 2000) • 40• 2300 + (1,5• 300) • 35• 2800 25 -800 + 40 -2300 + 35-2800
=
g
_
średnia prędkość obrotowa: 25-800+ 4 0 ' 2 3 0 0 + 35-2800
; 2100 m i n -
100 nominalna trwałość zmęczeniowa: 6
10 60 •//.., przy:
F
= XF + r
YF = F,„; a
10,
60-2
- ( ^ M2793 T - 1J 3 3 2 9 h
gdyżX = 1; 7 = 0 (brak sił wzdłużnych).
7.5.6. Szybkobieżność łożysk tocznych - graniczna prędkość obrotowa Ważnym dodatkowym kryterium wyboru łożyska jest jego szybkobieżność. Pa rametrem szybkobieżności jest graniczna prędkość obrotowa n , przy której w przeciętnych warunkach zabudowy łożyska bilans cieplny zapewnia równowagę wytworzonego i odprowadzonego ciepła w granicznej temperaturze / = 120°C dla ff
uniwersalnych środków smaaijących katalogowego łożyska normalnego wykona nia. W katalogach dla każdego typowymiaru łożyska są podawane dwie wartości n
gr
-1
[ m i n ] przy smarowaniu smarem stałym lub olejem. Odnoszą się one do tzw. lekkich warunków pracy, gdy względne obciążenie F/C < 0,05. Przy wzroście względnego obciążenia należy zmniejszyć maksymalną prędkość obrotową n . Wskaźniki względnego zmniejszania prędkości obrotowej n /«g, podano w tabeli 7.6. mm
inax
Tabela 7.6. Względne obciążenie FIC jako miara warunków pracy i zmniejszenia granicznej pręd kości obrotowej
Warunki pracy Lekkie Normalne Ciężkie Bardzo ciężkie
Wskaźnik « „ / n M
1 0,8 0,5 0,25
g r
Względne obciążenie F/C dla łożyska o średnicy cl < 100 m m wałeczkowe kulkowe <0,07 <0,06 0,07+0,12 0,06-0,12 >0,12 >0,12 0,3 0,3
Oprócz wamnków smarowania (rodzaj środka smarnego i smarowania) na gra niczną prędkość obrotową łożyska wpływ mają rodzaj oraz wielkość łożyska i obciążenia, luz łożyskowy, budowa koszyka i odprowadzenie ciepła; nie można zatem w sposób sztywny określić wszystkich wartości «„,, Podane w katalogach wartości prędkości granicznej można zwiększyć przykładowo dwa i więcej razy przy stosowaniu łożysk o podwyższonej klasie dokładności wymiarowej (P6, P5, P4), przy zwiększeniu luzu promieniowego, zmianie budowy prowadzenia wywa żonego koszyka, wyważeniu dokładnie wykonanego wału oraz przy zastosowaniu specjalnych środków smarujących (przy dużej prędkości ilość doprowadzonego środka smarnego musi być zmniejszona). Szczególnie duże wartości prędkości obrotowej można uzyskać, zmniejszając straty tarcia brodzenia części tocznych w oleju i zwiększając intensywność odprowadzania ciepła przy jednak lekkim ob ciążeniu łożyska (np. smarowanie natryskiem rozpylonego oleju lub mgłą olejową lub, w mniejszym stopniu, smarowanie kroplowe bądź obiegowe. Nagrzewanie, zużycie i wytrzymałość koszyka ma największy wpływ na graniczną prędkość obrotową. Nie analizując głębiej zagadnienia (patrz [7]), można zauważyć, że prędkość obwodowa koszyka Vi, odpowiadająca prędkości elementu tocznego (wo kół osi wału) przy nieruchomym zewnętrznym pierścieniu może być uznana za parametr określający graniczną prędkość obrotową n (V - nd n /60 000 m/s). &
Przy pewnych uproszczeniach, przyjmując d
m
h
m
gr
= 0,5(d + D ) < 1 5 0 r n m , małe ob
ciążenia na kierunku nośności zmęczeniowej.(czyli tgfi = F /F a
r
< 0 , 6 ) oraz
dm
cd przy c ~ const miarodajnymi wielkościami dla prędkości obrotowej stają się:
prędkość d •«
gr
obwodowa
< A = 60 000/7t • v
wału
V = nd n a
m
/60 000
[m/s]
lub
iloczyn:
1
a
[mm-min ].
Tabela 7.7. Orientacyjne parametry v„ i /t granicznej prędkości obrotowej n dla standarowych łożysk tocznych gr
Rodzaj łożysk v„ [m/s] Łożyska kulkowe i wałkowe standardowe promieniowe <15-20 normalnej klasy dokładności z lekkimi tłocznymi koszykami Łożyska jak wyżej ze wzmoc <25-30 nionymi masywnymi koszykami Łożyska stożkowe (uwaga: wzrost tarcia na czoło < K>12 wych bieżniach pomocniczych) Łożyska wzdłużne <5-7 (uwaga: szkodliwe działanie sił odśrodkowych) Uwaga: ekstremalne prędkości v„ przekraczają 100 m/s.
A [mm ' min '] <(3-4)10
5
<(5-6)10
s
<(2-2,5)10
5
<(1-1,5)10
5
Na rysunku 7.23 porównano różne rodzaje łożysk (dane wg aktualnego katalogu firmy SKF) ze względu na masę łożyska m, nośność dynamiczną C i graniczną prędkość obrotową n.
Oznaczenia 60O8
6408 6208
r
2208E 1208E
2308E
N208EC NU408 N308EC
120 105 90 75
12000 10500 9000 7SC10
30 15
«00 3600 )500
32208 32008X
32308
Masa m [kg] Nośność dynamiczna C [kN] Nominalna prędkość obrotowa n [1/min]
Rys. 7.24. Porównanie różnych rodzajów i odmian wymiarowych średnicowych łożysk tocznych
7.6.
P a s o w a n i a i sztywność łożysk
7.6.1. Zasady doboru pasowali Zasady poprawnego doboru pasowań można ująć następująco: pierścień, względem którego wiruje obciążenie, należy osadzić z wciskiem eliminującym jego pełzanie i obtaczanie; pierścień stacjonarny względem obciążenia należy osadzić z niewielkim wciskiem lub małym luzem niepogarszającym rozkładu obciążenia na elementy toczne i umożliwiającym do stęp środka smarnego do styku; • większy wcisk dla większych łożysk, których pierścienie są relatywnie podatniejsze w wyniku mniejszej grubości; • większy wcisk dla łożysk wałeczkowych (niż dla kulkowych), przenoszą cych większe obciążenia względne, co wywołuje większe odkształcenia; • większy wcisk dla łożysk pracujących w cięższych warunkach pracy. W zależności od przypadku zmian obciążenia względem pierścieni łożyska określa się pasowania (tab. 7.8). Najczęściej występuje przypadek 1 (obrabiarki, silniki elektryczne i spalinowe, pompy, wentylatory, przekładnie zębate). Przypa dek 2 jest charakterystyczny dla wszelkiego typu kół pojazdów, a także kół lino wych, napinaczy pasów) o nieruchomym czopie.
•
Tabela 7.8. Pasowania łożysk tocznych w zależności od przypadku ruchu Przypadki ruchu obciążenia Pasowania Uwagi względem pierścieni (1) Ruchomy watek - pierścień wcisk na wale KB/(j5 - n6) wewnętrzny winije względem (H6 - J7)/hB luz w oprawie obciążenia, pierścień ze wnętrzny w spoczynku wcisk w oprawie (2) Ruchoma oprawa - pier KB/(g6-j6) ścień zewnętrzny wiruje (K6 - N7)/hB luz na wale względem obciążenia, pier ścień wewnętrzny w spoczynku wcisk na wale (3) Przypadek obciążenia KB/(h5 - m6) złożonego - gdy obydwa (K7 - M7)/hB pierścienie wirują i oscylują luz w oprawie względem obciążenia lub ich ruch jest niepewny Uwaga: Pole tolerancji otworu w łożysku jest oznaczone K B (bliskie polu K5 wg ISO), pole tole rancji średnicy zewnętrznej jest oznaczone hB (bliskie polu h5 wg ISO)
7.6.2. Sztywność łożysk W zmontowanym łożysku po osadzeniu jego pierścieni na wale i w oprawie ustala się luz roboczy pod wpływem obciążenia i pola temperatury pracy. Zasadni-
cze znaczenie dla pracy łożyska ma luz poprzeczny, wpływający na jego trwałość, na kąt rozkładu obciążenia i maksymalne obciążenie elementu tocznego. Luz wzdłużny wpływa jedynie na położenie wału względem oprawy. Pod wpływem obciążenia zachodzą wzajemne przemieszczenia pierścieni łożyska oraz promieniowe i osiowe odkształcenia pierścieni. Sztywność łożysk jest określana jako stosunek przyrostu obciążenia F do przy rostu odkształcenia S. Charakterystyka F (5) jest progresywna dla łożysk o styku punktowym i liniowa dla łożysk o styku liniowym. Promieniowe napięcie łożysk (np. z wciąganym stożkowym pierścieniem na wale) może nawet dwukrotnie zwiększyć sztywność bez zmian trwałości. Osiowe napięcie łożysk (np. układów łożysk skośnych lub stożkowych) wy datnie zwiększa sztywność wzdłużną a także sztywność poprzeczną przy sztyw nym i dokładnym ustaleniu wału. Dopuszczalne wychylenia kątowe pierścieni łożysk są małe. Ich przekroczenie wywołuje zmianę rozkładu obciążenia, wzrost maksymalnego obciążenia elementu i spadek trwałości. Dodatkowo w łożyskach wałeczkowych o przekoszonych pier ścieniach powstają spiętrzenia naprężeń na końcach wałeczków. Powiększenie luzu w zwykłym łożysku kulkowym pozwala zwiększyć wychylenia kątowe, natomiast w skośnym łożysku kulkowym zdecydowanie pogarsza rozkład obciążenia. W łożyskach waliliwych duże kąty wychylenia umożliwiają stosowanie podatnych walów. Orientacyjne dopuszczalne kąty wychylenia podano w tabeli 7.9 dla nor malnych obciążeń łożysk. Dla dużych obciążeń są one około 1,5-K2 razy większe. r
z
Tabela 7.9. Dopuszczalne kąty wychyleń pierścieni Łożysko Kulkowe zwykle serii 62, 63, 64
Dopuszczalny kąt wychylenia
Kulkowe zwykle serii 62, 63, 64 ze zwiększonym luzem C3 Walcowe N i Nu
7-15'
Wahliwe kulkowe
1,5+3°
Wahliwe baryłkowe jednorzędowe Wahliwe baryłkowe dwurzędowe
7.7.
5-10'
2-3' 4° 1,5^2,5°
Tarcie łożysk tocznych
Straty tarcia występujące w łożyskach tocznych są stosunkowo małe. Wiele czynników wpływa na tarcie w łożysku: (1) praca histerezy przy odkształcaniu ciał stałych; (2) tarcie wewnętrzne w środku smarnym; (3) poślizgi i mikropoślizgi wywołane odkształceniami na styku i ruchem wiertnym elementów tocznych; (4) poślizg między koszykiem a częściami tocznymi i pierścieniami. Tarcie toczne w łożysku tocznym nie jest zatem czystym tarciem tocznym, w którym nie występuje poślizg. Ruch toczenia odbywa się wraz z małymi ruchami
ślizgowymi i przeniieszczeniowymi, czyli tarcie toczenia jest kombinacją czystego tarcia tocznego i ślizgowego (rys. 7.25). Moment tarcia łożyska T, składa się z dwóch momentów składowych: niezależ nego od obciążenia (To) i zależnego od obciążenia (7». T, = T + T [N-mm] fl
F
2
przy:
1
T =
fi-W
0
{v• n)~i • d
[N-mm] (dla v « > 2 0 0 0 ) ;
n
^ f t ' / , - ^ y
[N-mm]
gdzie: /o - stała zależna od budowy łożyska i smarowania, n - prędkość obroto -1
wa m i n , v - lepkość kinematyczna w temperaturze pracy oleju lub podstawo 2
wego oleju (przy smarach plastycznych) [mm /s = cSt], d,„ - średnia średnica łożyska [mm] - d
m
= (d + D) • 0,5, /o - współczynnik tarcia zależny od obciąże
nia i rodzaju łożyska; / i - stała zależna od kierunku obciążenia; F - obciążenie łożyska
(F
=
^[FJ+FJ
[N]).
Na rysunku 7.25 przedstawiono zależność momentu tarcia T łożyska od pręd kości obrotowej n. Straty tarcia są sumą trzech składowych: starych strat niezależ nych od prędkości obrotowej T wywołanych histerezą materiałową proporcjo nalnych do prędkości toczenia strat T wywołanych smarowaniem elastohydrodynamicznym oraz proporcjonalnych do obciążenia strat mikropoślizgów T między bieżniami i elementami tocznymi. r
w
s
G
graniczne
mieszane
płynne tarcie
Rys.7.25. Moment tarcia łożyska tocznego: T - straty tarcia histerezy materiałowej; T - straty elastohydraulicznego smarowania; T - straty tarcia mikropoślizgów v
c
s
Obliczeniowy moment tarcia łożyska można wyrazić następująco (przy: F - 0,1 • C i dobrym smarowaniu oraz w normalnych warunkach pracy): M = 0,5-//, -d• F; gdzie:
- współczynnik tarcia łożyska o wartościach: p = (l5 + 20)-\0' i
łożyska kulkowego zwykłego, /<, = (20*25)-10"
4
A
dla
dla łożyska kulkowego sko
śnego, /<; = ( l 2 H - 1 5 ) - 1 0 " dla łożyska kulkowego wahliwego, //, =(10H-15)-10"
j
dla łożyska wałeczkowego, /i, = (l8 + 25)-lO"" dla łożyska stożkowego.
7.8.
Uszczelnienia łożysk
Funkcją uszczelnień jest zabezpieczenie .przed przeciekiem oleju lub wydo stawaniem się smaru z zamkniętej przestrzeni maszyny do otaczającego środowi ska oraz ochrona elementów przed przenikaniem z otaczającego środowiska zanie czyszczeń i pyłów, zwłaszcza ściernych, oraz wody. Jakość uszczelnienia wpływa na odporność na zużycie, trwałość i niezawodność trących części (przekładni, ło żysk, prowadnic itp.). a)
b)
.
c)
Rys. 7.26. Uszczelnienia przy smarowaniu smarem plastycznym; a) stykowe pierścienie Nilos (profilowana blacha o grubości 0,3-0,6 m m , po zużyciu uszczelnienie bezstykowe labiryntowe), b) bezstykowe szczelinowe, c) bezstykowe labiryntowe osiowe, d, e) bezstykowe labiryntowe promieniowe, t) stykowe filcowe
Wybór uszczelnienia jest uwarunkowany: (1) wymaganym stopniem hermetyzacji (wartością dopuszczalnych przecieków); (2) temperaturą i ciśnieniem w uszczelnianym środowisku; (3) prędkością i kierunkiem względnego przetniesz-
czenia uszczelnionych części; (4) stratami tarcia w uszczelnieniach i odpornością na zużycie; (5) rodzajem środka smarnego; (6) ekonomicznością konstrukcji uszczelnienia (koszty zakupu, montażu i obsługi, dokładność wykonania); (7) po zycją wału (poziomą lub pionową). Najczęściej używane uszczelnienia stykowe i bezstykowe przedstawiono na rys. 7.26 i 7.27, dzieląc je dodatkowo w zależności od środka smarnego (oleju lub sma ru plastycznego). Uszczelnienie stykowe czołowe z obracającym się pierścieniem V (rys. 7.27d) jest odciążone przy wzroście prędkości obrotowej, jednocześnie degresywnie male ją straty cierne mocy (prędkość obwodowa v = 10+12 m/s). max
a)
b)
c)
d)
Rys. 7.27. Uszczelnienia przy smarowaniu olejem; a) bezstykowe szczelinowo-rowkowe, b) bez stykowe odrzutnikowe, c) stykowe wargowe, dj stykowe czołowe pierścieniem uszczelniającym
Czasem są stosowane łożyska toczne z zabudowanymi blaszkami ochronnymi (rys. 7.28a) lub stykowymi uszczelnieniami (tys. 7.28b). Przy dwustronnym uszczelnieniu łożyska z uszczelnieniami jednorazowo i dokładnie dozowany środek smarny nie jest uzupełniany w okresie trwałości. Istnieją możliwości integracji takiego łożyska z systemami dozorowania (np. aktywna sygnalizacja prędkości za pomocą okna w blaszce uszczelnienia elastomerowego współpracującego z czujnikiem hallotronowym).
Rys. 7.28. Łożyska toczne z w b u d o w a n y m uszczelnieniem; a) blaszki ochronne; b) elastomerowe uszczelnienie stykowe
Wyższą jakość uszczelnienia osiąga się za pomocą zespołów uszczelnień, np. szczelinowo-rowkowych z labiryntowym (tys, 7.29).
1
łnH— — Rys. 7.29. Zespołowe uszczelnienie wargowo-promieniowe i labiryntowe łożyska
We wszystkich uszczelnieniach wymagana jest obróbka wykańczająca wałów bez spiralnych śladów (efekt wypompowywania oleju lub wnikania zanieczysz czeń). Przy smarowaniu smarem plastycznym konieczne jest odpowietrzenie w celu uniknięcia wyciśnięcia smaru przy niewyrównanym ciśnieniu. 7.8.1. Uszczelnienie promieniowe walów Uszczelnienia promieniowe wałów (łożysk) za pomocą wargowych pierścieni uszczelniających są stosowane najczęściej. Należą one do uszczelnień dynamicz nych obracających się części maszyn smarowanych olejem przy umiarkowanym nadciśnieniu (do 0,5 bara). W uszczelnieniu ostra krawędź wargi uszczelniającej z elastomeru ślizga się po gładkiej powierzchni wału. Warga jest odsunięta od po wierzchni wału promieniowymi siłami sprężystymi F„ odkształconej wciskiem pierścienia na wał pierścieniowej membrany i dodatkowym sprężystym dociskiem F śrubowej metalowej sprężyny naciągowej. Pod działaniem sił promieniowych tworzy się liniowa strefa kontaktu o małej szerokości b wargi (tys. 7.30). Uszczelnienie spełnia dwie funkcje: (1) w stanie spoczynku wału docisk wargi do gładkiej powierzchni wału zamyka szczelinę strefy styku (naciski spoczynko we); (2) przy względnym ruchu obrotowym występuje efekt hydrodynamiczny (jak w wąskim łożysku ślizgowym) i uszczelnienie pracuje w warunkach tarcia miesza nego z ukształtowanym filmem smarnym, ograniczającym ciepło i zużycie (rys. 7.31a). Zgodnie z tendencją w budowie uszczelnień zmniejsza się wartość siły promie niowej F = F + F ze względu na tarcie i zużycie w podwyższonej temperaturze. Naciski liniowe q = 0,1+0,15 N/mm wystarczająco zabezpieczają docisk pomimo relaksacji elastomeru w podwyższonej temperaturze. Przy rozruchu wału początkowo praca uszczelnienia odbywa się na sucho i obserwuje się w wyniku zużycia wzrost szerokości wargi, zależny także od chro powatości walu (zalecana chropowatość R = 0,2+0,8 um, czyli R. = 1 + 1,5 um; R max < 6 um). Przyczyną nieszczelności wału są wzniesienia i kratery nierówności powierzchni oraz rysy pochylone względem kierunku obracania, które wywołują s
r
s
u
h
a
efekt pompowania. Stąd szczególne znaczenie ma zorientowana struktura chropo watości powierzchni wału i jej wysoka twardość (np. min HRC = 45; dla szybko obrotowego wału przy działaniu ściernych zanieczyszczeń HRC = 55). Po krótkim rozruchu występuje w wyniku działania oleju przeciek na stronę powietrzną.
W ruchu powstaje elastohydrodynamiczny film olejowy pomiędzy uszczelnie niem a wałem spowodowany przenoszeniem oleju przez obwodowe kapilarne siły w mikroszczeliny chropowatości powierzchni. Powstaje pole dynamicznych naci sków p(x), którego rozkład jest asymetryczny (ąuasi-trójkątny przy a > f! z maksimum po stronie olejowej). Na mikropowierzchniach obracającego się wału powstają jednocześnie lokalne naciski powierzchniowe. Olej na wysokościach nierówności powierzchni jest przemieszczany wstecz w stronę olejową na zasadzie mikropompowania w klinowej szczelinie po stronie powietrznej. Przy nieprostopadle ustawionej krawędzi uszczelniającej względem wału występuje makropompowanie w wyniku drgającego ruchu krawędzi.
a) n Kierunek prędkości o b w o d o w e j walu
Sita promieniowa F^Fs+F,, Strona olejowa
Strona ^^*f£
powietrzna
Membrana
Działanie Przeciek lub smarowanie
Siła kapilarna
Działanie tłoczące
Rozkład nacisków •
pompujące (uszczelniające)
statycznych
Środek ciężkości powierzchni p(x)
Rys. 7.31. Dynamiczne działania uszczelniające łożyska: a) siły i naciski, b) przenoszenie oleju przez odkształcone mikrostruktury chropowatości elastomeru (w spoczynku kąt y = 0; w ruchu y > 0 w wyniku tarcia i asymetrii rozkładu nacisków p(x))
W budowie uszczelnień wargowych wykorzystywane jest dodatkowe hydro dynamiczne wspomaganie uszczelnienia przez stworzenie dodatkowej bariery dynamicznej dla oleju od strony powietrznej szczeliny uszczelniającej. Wcześniej opisany mechanizm uszczelnienia działa w obydwóch kierunkach prędkości obro towej (w każdym z kierunków następuje przeorientowanie odkształceń mikrostruk tury pod wpływem względnego ruchu wargi i wału). W przypadku stałego ruchu obrotów, np. wału korbowego i krzywkowego silnika spalinowego, stosuje się dodatkowe śrubowe „żebra" za wargą uszczelniającą, wywołujące hydrodynamicz ne ciśnienie odciążające i wymuszające powrotny przepływ oleju w przestrzeni klinowej (rys. 7.32).
S)
Hychcdynmtucziie ciśnienie ioclciażaj;]ce krawędzi n«zezelniąjące[
Rys. 7.32. Hydrodynamiczny mechanizm uszczelnienia przy prostym zawirowaniu
Można także wykorzystać dodatkowe hydrodynamiczne wspomaganie uszczel nienia wału obracającego się w obydwóch kierunkach przez ukształtowanie obwo dowych trójkątnych lub falistych „żeber" na szerokości wargi od strony powietrz nej. Różne zasady działania i konstrukcje większości uszczelnień kasetowych, manszetowych i samohamownych przedstawiono na lys. 7.33.
Rys. 7.33. Różne zasady działania i konstrukcje nowych uszczelnień: a) ochrona przed wodą 1 zabrudzeniami za pomocą bezstykowej wargi ochronnej przy p < 1 MPa (1 - pierścień bieżni; 2 - adhezyjna warstwa gumy; 3 - styk metaliczny dla odprowadzenia ciepła; 4 - bezstykowa podatna warga ochronna); b) ochrona przed wodą i zabrudzeniami za pomocą podatnej, stykowej wargi ochronnej przy p < I M P a (1 - stykowa warga ochronna); c) kasetowe uszczelnienie wału z wargą ochronną przy p < 1,5 M P a (1 - stacjonarna obiAdowa, 2 - brud, woda, 3 - obracająca się obudowa z blachy, 4 - wał, 5 - warga ochronna, 6 - olej); d) manszetowe uszczelnienie elastome rowe z wargą ochronną przy p < 1,5-2 MPa (1 - strona olejowa, 2 - strona powietrzna, 3 - samouszczelmający pierścieni z PTFE, 4 - warga ochronna, 5 - płytki „rowek śrubowy", 6 - po wierzchnia przekroju rowka spiralnego, 7 - warga uszczelniająca, 8 - wał, 9 - wał wciągający ciecz i powietrze, 10 - rozcięte rowki spiralne); e) zasada samowspomagania uszczelnień nadciśnieniowych -obciążenie krawędzi ciśnieniem cieczy przy odciążonym uszczelnieniu przy p < 3 M P a (1 - promieniowo-przesuwny PTFE pierścień samouszczelniający, 2 - ciśnienie p,2pier ścień typu O, 4 - reakcja osiowa, 5 - krawędź uszczelniająca, 6 - powierzchnia styku b = 0,2 mm, 7 - ciśnienie oleju p); f) odciążone uszczelnienie wału przy p < 3 MPa).
7.8.2. Tarcie i rozgrzewanie uszczelnienia Wartość współczynnika tarcia p nowego uszczelnienia (przy naciskach styko wych p — 1 N/mm") wynosi 0,3+0,5. Tak duże wartości współczynnika tarcia są charakterystyczne dla cienkich elastohydrodynamicznych filmów smarnych. Straty mocy tarcia P = ftpvndb (v - prędkość obwodowa; d i b - średnica i szerokość war gi) są znaczne. Przykładowo przy typowych parametrach dla nowoczesnych uszczelnień (siłach promieniowych 0,1 N/mm szerokości wargi b = 0,2 um, naci skach p = 0,5 N/mm i współczynniku tarcia p = 0,3 dla wału korbowego o średni cy uszczelnienia d = 85 mm przy « = 6000 m i n ' (v = 27 m/s) straty mocy P ~ 220 W, a przepływ ciepła przez szczelinę (N/F — 400 W/cm ) jest bardzo duży. Kry tyczny stan pracy uszczelnienia mogą wywołać nieuwzględnione wcześniej warun ki pracy: (1) mimośrodowość i błędy kołowości odciążające jedną stroną wargi od siły promieniowej; (2) osiowe ruchy wału zmniejszające dynamiczny mechanizm uszczelnienia; (3) rozdzielanie przez podwójne uszczelnienie wargowe dwóch cie czy z odpowietrzeniem przestrzeni wewnętrznej; (4) nadciśnienie. Uzyskanie określonej jakości uszczelnienia jest mierzone przeciekami, gdyż w praktyce nie spotyka się uszczelnień o „zerowych" przeciekach. Szereg czynni ków ma wpływ na przecieki: uszkodzenie montażowe wargi uszczelniającej przez ostre krawędzie sfazowań wału, błędy powierzchni wału (śrubowe ślady obróbki, kratery, karby), zużycie wału (przy czystym oleju po 1000 h pracy zużycie wynosi 10 um na szerokości 0,24+0,4 mm, przy zużytym i zanieczyszczonym oleju zuży cie osiąga głębokość 100 um). 2
2
dh
7.9.
Literatura
[1] [2]
[4]
Achsen, Wellen, Lager i in.:, VEB Fachbuclwerlag, Leipzig 1972. Bejzelman R.D., Cypkin B.V., Pereł J.: Podśipniki kaćenia, Maśinostroenie, Moskva 1975. Branowski B.: Wzrost trwałości i nośności łożysk tocznych i jego uwarunkowa nia, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, seria Maszyny Robocze i Pojaz dy, 1 9 8 5 , nr 2 3 . Dunaev P.F.: Konstruirovanie uzlov i detalej maśin, Wysśaa Skola, Moskva
[5]
Fronius S.: Konstruktionslehre. Antriebselemente, VEB Verlag Technik, Berlin
[6] [7]
lvanov M.N.: Detali maśin, Wysśaa Śkola, Moskva 1976. Krzeminski-Frcda H.: Łożyska toczne, Państwowe Wydawnictwo Naukowe,
[3]
1978. 1979.
Warszawa (wyd. 1 - 1 9 8 5 , wyd. 2 - 1989).
[8] [9] [10J
Kudravcev V.N.: Detali maśin, Maśinostroenie, Leningrad 1980. Neue dynamische und statische Tragzahlen fuer FAG Waelzlager, Waelzlagertechnik, 1982, 1. Steinhilper W., Roeper R.: Maschinen- und Konstruktionselemente 3 . Elastische Elemente, Federn, Achsen und Wellen, Dichtungstechnik, Reibung, Schmierung, Lagerungen, Springer Yerlag, Berlin 1994.
[11]
Waligóra W.: Badania trwałości łożysk wałeczkowych, Wyd. Politechniki Po znańskiej, Poznań 1981.
Z a g a d n i e n i a kontrolne 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Scharakteryzuj różne systemy łożyskowania wałów. Scharakteryzuj różne układy łożyskowań tocznych wałów. Przedstaw budowę, klasyfikację i normalizację łożysk tocznych. Podaj przyczyny uszkodzeń łożysk tocznych. Omów pojęcia nośności statycznej i dynamicznej łożysk tocznych. Podaj algorytm wyboru łożyska tocznego. Omów tarcie w łożyskach tocznych. Podaj zasady doboru uszczelnień łożysk tocznych.
8. ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE
ZEGAR Leonardo da Vinci, MadridCodex, c. 1497
8.1. Definicja, funkcje i zastosowania Funkcją łożysk ślizgowych jest podtrzymywanie elementów (osi, wałów, dźwigni) w sposób umożliwiający ich względny ruch obrotowy z małym tarciem ślizgowym i przeniesienie wywołanych działaniem tychże elementów obciążeń poprzecznych i wzdłużnych na ustrój nośny maszyny (najczęściej korpus). Łożyska ślizgowe jako integralne elementy konstrukcji składają się z kilku części: (1) czopa przynależnego do osi lub wału, tworzącego z (2) panwią ślizgo wą parę obrotową, oraz ze spoczynkowo lub ruchowo połączonej z panwią (3) obudowy łożyska (lub korpusu maszyny) i (4) środka smarnego. Tarcie ślizgowe w łożysku powinno być jak najmniejsze ze względu na straty energii i spowodowane tym zmniejszenie sprawności maszyny. Łożysko ślizgowe może być nieodłączną częścią maszyny (np. łożysko wału korbowego silnika spa linowego) albo niezależnym zespołem konstrukcyjnym. Siły reakcji podtrzymy wanych elementów podporowych, obciążające łożyska, wynikają nie tylko z robo czych obciążeń statycznych i dynamicznych osadzonych na tych elementach kół zębatych, pasowych, łańcuchowych, krzywek, dźwigni, tarcz sprzęgłowych itp., lecz także z sił ciężkości wału z elementami. W łożysku ślizgowym obciążenie jest przenoszone przez granice ciał stałych będących w ruchu względnym. Tribologia łożyska ślizgowego musi uwzględniać własności obydwóch powierzchni oraz własności środka smarnego wypełniające go szczelinę pomiędzy powierzchniami. Ważne zatem będą cechy geometryczne struktury warstwy wierzchniej powierzchni (nierówności powierzchni, kierunkowość struktury, topografia powierzchni i jej parametrów, mikro- i makronapręże-
nia własne) oraz właściwości smaru (lepkość i jej zmiany temperaturowe i ciśnie niowe, ściśliwość i rozszerzalność termiczna, a także gęstość, ciepło właściwe, przewodnictwo cieplne, odporność na utlenianie itd.). Obszar zastosowań łożysk ślizgowych we współczesnej technice wynika przede wszystkim z tych ich właściwości, które są konkurencyjne w porównaniu z łożyskami tocznymi: (1) rozbieralność (z uwagi na warunki montażu, np. wału korbowego), (2) duża prędkość obwodowa (v > 30 m/s), (3) precyzja ruchu (regu lacja luzów), (4) możliwość pracy w szczególnych warunkach otoczenia (woda, agresywne środowisko); (5) dobre przenoszenie obciążeń uderzeniowych i drganiowych (tłumienie warstwy smaru) (6) niski koszt; (7) cichobieżność me chanizmu; (8) mały stosunek średnicy do szerokości. Łożyskowania ślizgowe wymagają systematycznego nadzorowania i ciągłego smarowania, a często odrębnych układów chłodzenia w celu uniknięcia zniszcze nia łożyska (np. zatarcia w wyniku przegrzania). Intensywność zużycia wyznacza trwałość łożyska, stąd przegrzanie, wpływające na zużycie panewki i czopa, jest tak istotne. Wykruszenia zmęczeniowe przy zmiennych obciążeniach i małym luzie łożyska występują znacznie rzadziej niż w łożyskach tocznych. / 8.2. C h a r a k t e r y s t y k a i rodzaje Duża różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych łożysk ślizgowych powoduje, że są one klasyfikowane na wiele sposobów. Podstawowy podział łożysk z różnych punktów widzenia przedstawiono w tabeli 8.1. Ze względu na stosowane medium smarowe łożyska ślizgowe dzielą się na: • suche - okresowo smarowane smarem plastycznym lub niesmarowane; pa newki takich łożysk wykonane są ze stopów łożyskowych lub z tworzyw sztucznych (np. z teflonu); używane są w łożyskowaniach mniej obciążo nych i mniej odpowiedzialnych; • powietrzne (gazowe), w których dystans między wałem a panewką utrzy mywany jest przez poduszkę powietrzną wytworzoną przez sprężone powie trze dostarczane do panewki; łożyska tego typu stosuje się w urządzeniach precyzyjnych, w których na wałach występują niewielkie siły promieniowe; • magnetyczne, w których wykorzystuje się zjawisko lewitacji magnetycznej, polegające na bezkontaktowym unoszeniu się obiektu w polu magnetycz nym; cechuje je np. brak tarcia, brak medium smarującego, możliwość pracy w dowolnym środowisku; • olejowe, w których w czasie ruchu wału pomiędzy jego powierzchnią a panewką tworzy się cienka warstwa oleju (film olejowy), wystarczająca do podtrzymania wału; można je podzielić na: • hydrodynamiczne - w których film olejowy tworzy się samoczynnie wsku tek zjawisk hydrodynamicznych zachodzących w szczelinie,
hydrostatyczne - w których do panewki dostarczany jest dodatkowo olej pod ciśnieniem, samosmarowe - zawierające w strukturze panwi środek smarowy. Tabela 8 . 1 . Podział łożysk ślizgowych Kryterium podziału
Rodzaj łożyska 2
poprzeczne
wzdłużne
poprzcczno-wzdlużne
Kierunek obciążenia
smarowane smarami stałymi lub plastycz nymi
samosmarowne (porowate nasycone olejem lub smarem z grafitem)
smarowane gazami (np. powietrzem)
Y/////A Zasada dzia łania (efekt fizycz ny)
hydrostatyczne
hydrodynamiczne
magnetyczne (np. z magnesami w osi)
efekt „klina smarnego" efekt wyciskania smaru sztywne (większość łożysk)
Podatność podparcia panewki
efekt nacisków krawę dziowych
samonastawne kształtowo (w panewce kulistej)
samonastawne sprężyście (krótki walec i sprężyna falista)
cd. tabeli 8 . !
Wartość i kierunek obciążenia Wymagania obsługi
obciążone statycznie (wartość i kierunek obciążenia stały)
obciążone dynamicznie (wartość i (lub) kierunek obciążenia zmienny)
wymagające obsługi
bezobsługowe
środkowe
końcowe
Położenie czopa na wale
Rodzaj tarcia Możliwość podzia łu korpusu lub panwi Prędkość obwodowa
I
tarcie suche lub mieszane
tarcie płynne
dzielone, gdy panew lub kadłub łoży ska składa się z dwóch lub więcej części
niedzielone, gdy panew łożyska sta nowi jedną całość
o stałej prędkości ob wodowej
o zmiennej prędkości obwodowej
o oscylacyjnym mchu obrotowym, gdy wartość i kierunek prędkości obro towej są periodycznie zmienne
8.3. Fizyczne p o d s t a w y działania 8.3.1.
Tarcie ślizgowe
Tarcie - zjawisko fizyczne przeciwdziałające względnemu aichowi dwóch sty kających się ciał lub ruchowi ciała w ośrodku gazowym, lub mchowi cieczy i gazu, w rezultacie którego powstają opory tarcia wyrażane siłami tarcia. W klasycznym prawie tarcia Amontonsa (Coulomba) współczynnik tarcia p = T/N jest stosunkiem siły tarcia T do siły normalnej N do powierzchni styku paiy ciernej. Podane poniżej rodzaje tarcia różnią się pod względem wyko rzystanego efektu fizycznego, a także wartościami współczynnika tarcia: • suche (p = 0,3 -i- 0,8) - nie ma smaru między czopem a panwią, • półsuche (JJ = 0,1 + 0,3) - powstaje na skutek utleniania się czopa (korozja) pod wpływem powietrza, a także innych zanieczyszczeń (olej, kurz, woda), • graniczne (/ć = 0,1 + 0,3) - tarcie na powierzchniach ślizgowych na mikro skopijnej warstewce smaru absorbowanego przez pory metalu o grubości kilku molekuł, • płynne (p = 0 , 0 0 1 +0,005) - powstaje przy rozdzieleniu powierzchni śli zgowych warstewką smaru (film olejowy) ze zrównoważonym ciśnieniem w smarze obciążonej pary ciernej,
•
półpłynne (ju = 0,005 + 0,1) - powstaje, gdy grubość filmu olejowego jest za cienka, aby całkowicie rozdzielić nierówności powierzchni współpracują cych elementów pary.
8.3.2.
Procesy smarowania
Podstawowym sposobem zmniejszenia tarcia w łożyskach i ograniczenia jego skutków (zużycia) jest ich smarowanie. Dodatkowym skutkiem smarowania jest odprowadzenie ciepła i produktów zużywania się oraz ochrona przed korozją. Smarem jest każda substancja zmniejszająca opory ruchu. Rozróżnia się smary: « stałe (sproszkowany grafit, dwusiarczek molibdenu, talk, azotek boru, mika, boraks, siarczan srebra, jodek ołowiawy, wernikulit), • plastyczne (na bazie mydeł Al, Li, Mg, Ca, Na) dla łożysk wolnobieżnych lub pracujących okresowo przy możliwości zatarcia, • ciekle (oleje mineralne, oleje syntetyczne). Ze względu na pochodzenie rozróżnia się smary: roślinne, zwierzęce i mineralne. Podstawowymi właściwościami smaru są: lepkość, smarowność, temperatura krzepnięcia i zapłonu, temperatura kropienia, odporność na starzenie.
v=0 Rys. 8.1. Opór ścinania smaru
Podstawową cechą smaru jest lepkość, charakteryzująca opór stawiany zmianie postaci. Przepływ oleju przez łożysko można opisać procesem ścinania cieczy z zależności Newtona, z której wynika, że siła tarcia wewnętrznego płynu wyma gana do przesunięcia nieważkiej płyty o powierzchni A po warstewce płynu o grubości h z prędkością v: dv F=r/-A-— (8.1) ah przy współczynniku proporcjonalności ij zwanym lepkością dynamiczną wyrażo 2
ną w paskalosekundach [N s/m ] (rys. 8.1). W obliczeniach hydrodynamicznych
stosuje się pojęcie lepkości kinematycznej, czyli lepkości dynamicznej odniesionej do gęstości v = 77/ p; jednostką jest St (Stokes) [cm /s]. 2
Z tej zależności określa się naprężenia styczne r , wywołujące przesuwanie warstewek płynu r = F7A-T] -{dv I dh). Lepkość smarów zależy od temperatury. Dla smarów płynnych lepkość maleje bardzo silnie ze wzrostem temperatury. Na ogól jest pożądane, aby przy zmianie temperatury zmiany były jak najmniejsze. Tarcie płynne można uzyskać przy smarowaniu hydrostatycznym lub hydrodynamicznym. 8.4. P o d s t a w y teorii s m a r o w a n i a 8.4.1.
Smarowanie hydrostatyczne (HS)
Smarowanie hydrostatyczne (rys. 8.2) polega na wytworzeniu w skojarzeniu trącym „poduszki olejowej" zużyciem urządzeń zewnętrznych (np. pompy). Po wstałe ciśnienie środka smarnego rozdziela smarowane powierzchnie, co w ruchu obrotowym czopa prowadzi do tarcia płynnego. Smarowanie hydrostatyczne najczęściej jest stosowane pod| czas rozruchu maszyn, zwłaszcza przy silnie obciążonych skoja rzeniach trących. Po uzyskaniu pełnego wyporu hydrodynamicz nego wyłącza się smarowanie hydrostatyczne (osiąga się sma rowanie hybrydowe). Zapobiega to zużywaniu się powierzchni trących wału i panwi w począt kowym okresie pracy. W celu uzyskania smarowania hydrosta tycznego w obciążonej strefie łożyska musi być utrzymywane wymagane ciśnienie cieczy. a )
Rys. 8.2. Model smarowania hydrostatycznego po przecznego łożyska ślizgowego: a) przekrój poprzeczny łożyska ślizgowego: 1 - panew łożyska, 2 - wał łoży ska, 3 - środek smarny, 4 - wlot środka smarnego, 5 wylot środka smarnego; b) rozkład ciśnień w łożysku wywołany czynnikami zewnętrznymi
Oznacza to, że taka ilość substancji nośnej, która stale uchodzi z obciążonej strefy łożyska, musi być doprowadzona pod ciśnieniem bezpośrednio do obciążo nej strefy łożyska lub zastąpiona nową porcją substancji smarnej. Obliczenia smarowania hydrostatycznego opierają się na wzorach określają cych parametry przepływu cieczy lepkiej przez wąskie szczeliny przy założeniu przepływu laminarnego. W praktyce potrzebne jest określenie ciśnienia oleju oraz natężenia jego przepływu przy danej lepkości. 8.4.2.
Smarowanie hydrodynamiczne
Przy smarowaniu hydrodynamicznym powstaje ciśnienie równoważące ze wnętrzne obciążenie. Jest to rodzaj smarowania polegający na powstawaniu ci śnienia w warstwie cieczy pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi powierzch niami na skutek ich względnego ruchu, przy czym współpracujące powierzchnie są całkowicie oddzielone od siebie. Wychodząc z warunku równowagi sił działa jących na elementarny sześcian znajdujący się w szczelinie smarowej, Reynolds wyprowadził równanie umożliwiające wyznaczenie rozkładu ciśnienia działające go w szczelinie smarowej (rys. 8.3). Uwzględnił przy tym mimośrodowe ułożenie czopa w łożysku, które jest niezbędne do powstania wyporu hydrodynamicznego.
Tdxclz
\
u 0
d
d
"'P y -
Rys. 8.3. Pozycje czopa względem panwi: a) przy położeniu spoczynkowym; b) w czasie roznichu; c) przy pracy z analizą równowagi naprężeń działających na elementarną cząsteczkę cieczy
Przebieg tarcia w łożyskach ślizgowych poprzecznych w funkcji prędkości ob rotowej badali Stribeck i Hersey, wprowadzając bezwymiarowy parametr (zwany liczbą Herseya) X-rj-nl
p , gdzie p ix
ir
= FI dl - średni nacisk.
Zależność współczynnika tarcia fi od liczby Iłerseya A , zwana krzywą Stribecka (rys. 8.4b) wykazuje minimum ju
mill
seya
((TJ/P'„
)• n\
T
przy krytycznej wartości liczby Her-
•
Powyżej tej wartości znajduje się obszar tarcia płynnego. Z wykresów zmian p(n) (lys. 8.4a) i pozycji czopa względem panwi (rys. 8.3a) wynika, że przy ma łej prędkości obrotowej początkowo zachodzi tarcie mieszane z dużym udziałem tarcia suchego w styku ciał stałych, a następnie tarcie mieszane ze wzrastającym udziałem tarcia płynnego. Przy wzroście prędkości obrotowej (rys. 8.3b) czop wału wciąga substancję smarową (olej) w klinową szczelinę smarną w kierunku prędkości kątowej. Po przejściu do tarcia płynnego następuje całkowite oddzielenie ślizgających się po wierzchni warstewką środka smarnego. Równocześnie następuje podnoszenie się czopa do góry z bocznym przesunięciem w wyniku podwyższonego ciśnienia w klinie smarnym (rys. 8.3c).
O
100
200
300
400
500
600
700
prędkość obrotowa walu n [obr/min] Rys. 8.4. Krzywa Stribecka-Herseya zmian tarcia w łożysku hydrodynamicznym: a) przy różnych naciskach jednostkowych dla łożyska z panwią żeliwną w zależności od prędkości obrotowej; b) teoretyczny przebieg krzywej
Utrata tarcia płynnego może być wywołana zmniejszeniem prędkości i lepko ści środka smarnego lub wzrostem obciążenia. Są to procesy powiązane. Przykła dowo wzrost ciepła tarcia wywołany wzrostem obciążenia może powodować spa dek lepkości, a zarazem zmniejszenie strat tarcia. Dzięki temu punkt pracy węzła może oscylować na pewnym odcinku na prawej gałęzi krzywej Stribecka-Herseya (rys. 8.4a). Znajomość rozkładu ciśnienia w warstwie smaru na roboczej powierzchni ło żyska umożliwia wyznaczenie nośności hydrodynamicznej. Warunek tarcia płynnego będzie spełniony wtedy, gdy najmniejsza wysokość szczeliny smarowej ho (rys. 8.3c) będzie większa od sumy zakłóceń kształtu a (ho > a). Zakłócenia kształtu są sumą chropowatości powierzchni czopa i panwi, błędów kształtu powierzchni roboczych czopa i panwi oraz ugięcia czopa. Naj mniejszą wysokość szczeliny smarowej można wyznaczyć z zależności: (8.2) gdzie: S = R — r - luz promieniowy łożyska, L = D - d — luz średnicowy łoży ska, e = e/S= 2e/L - mimośrodowość względna położenia czopa w panwi, e - mimośrodowość położenia czopa w panwi (rys. 8.3c). Mimośrodowość względna przybiera wartości od e = 1 (styk czopa z panwią) do e ~ 0 (współśrodkowe położenie czopa w panwi). Wartość mimośrodowości zależy od liczby Sommerfelda So-
gdzie: p = F/dl - średni nacisk w łożysku; y/= L/D - luz względny; TJ - lepkość dynamiczna oleju; co - prędkość kątowa czopa. Liczba Sommerfelda jest para metrem podobieństwa hydrodynamicznego łożysk.
Rys. 8.5. Scliemat obciążenia łożyska poprzecznego i tworzenie się klina smarującego w poprzecznym lożyskn ślizgowym: I - panew, 2 - czop, 3 - smar
Łożyska o tej samej wartości liczby Sommerfelda mają tę samą wartość mimo środowości względnej e. Wartości mimośrodowości względnej zależą od długości względnej łożyska l/d. Różnią się nieco dla łożysk z kątem opasania 180° i 360°. Ze zwiększeniem wartości liczby Sommerfelda (np. wskutek zwiększenia obcią żenia F) - rośnie mimośrodowość względna e i maleje wysokość ho szczeliny. Jeżeli odniesie się najmniejszą wysokość szczeliny smarowej do luzu łożysko wego i wprowadzi się tak zwaną względną najmniejszą wysokość szczeliny sma rowej h'' = 1>Q/' S = h ĄD —d), to można przeanalizować wprost zależność h' od SoZe zmniejszeniem wartości <S zwiększa się najmniejsza wysokość szczeliny sma rowej, a zatem zwiększa się pewność ruchu łożyska ze względu na tarcie płynne. Tak więc liczba Sommerfelda jest podstawowym parametrem w analizie ło żysk ślizgowych. Zawiera ona szereg zmiennych decyzyjnych, na które można wpływać przy projektowaniu łożyska (podstawowe cechy geometryczne d oraz / łożyska kształtujące średni nacisk p = F/d l, względny luz łożyskowy ¥ oraz lep kość oleju //). Przy hydrodynamicznym smarowaniu poprzecznego łożyska ślizgowego po wstają rozkłady ciśnienia w filmie smarnym przedstawione na rys. 8.5. ()
8.5. K o n s t r u k c j a łożysk p o p r z e c z n y c h Łożyska ślizgowe cechuje wielka różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych. Różne postacie łożysk ślizgowych są wynikiem konstrukcyjnego ukształtowania powierzchni nośnych (panwi) zarówno w przekroju poprzecznym, jak i wzdłużnym. Przy walcowym kształcie panwi powstaje jeden klin smarny, który równoważy obciążenie. Skutkiem tego jest niestabilny ruch wału. W trakcie mchu wał może wykonywać oscylacje wzbudzające drgania całej maszyny, np. poprzez powstawanie wiru olejowego. Aby tego uniknąć, wykonuje się tuleje o różnych przekrojach, odbiegających od przekroju okrągłego. Na rysunku 8.6 zobrazowano charakterystyczne typy łożysk poprzecznych i ich przekroje. Na rysunku 8.6a przedstawiono łożysko o kącie opasania czopa /i = 360°, w którym zarówno czop, jak i panewka mają kształt cylindryczny. Na rysunku 8.6b przedstawiono panewkę częściową o kącie opasania /? < 360°, a na rys. 8.6c - panewkę owalną o kształcie „cytryny", w której dla każdego kierunku obrotów istnieją dwa czynne kliny smarne, w przeciwieństwie do panewki z tys. 8.6d - o kształcie dwóch zwężają cych się spiralnie szczelin, przeznaczonej tylko dla jednego kierunku obrotów. Na rysunku 8.6e przedstawiono panewkę o kształcie nieco zowalizowanym - zde formowanym co 120° przez sprężyste odkształcenie elastycznej tulei łożyskowej po wtłoczeniu w gniazdo z trzema punktami podparcia. Na rysunku 8.6f przedsta wiono łożysko z wieloma klinami smarnymi.
Rys. 8.6. Różne rozwiązania konstrukcyjne kształtów panwi łożysk ślizgowych: cylindryczna o kącie opasania: a) 360° i b) /l < 360°, c) owalna tzw. z luzem „cytrynowym", d) ze szczelinami zwężających się spiralnie, e) zdeformowana, 1) z wieloma klinami smarnymi, g) z pływającą panewką owalną
Powstanie odj3owiednio dwóch, trzech lub kilku klinów smarnych powoduje stabilizowanie położenia walu w czasie pracy (dobre tłumienie drgań). Specjalną odmianą łożyska poprzecznego o dwóch klinach smarnych jest łożysko z „pływającą panewką" (lys. 8.6g). Ciśnienie hydrodynamiczne powstaje na we wnętrznej oraz na zewnętrznej powierzchni środkowej panewki. Wiruje ona z mniejszą prędkością niż czop. To rozwiązanie stosowane jest w celu zintensyfi kowania przepływu smaru przez łożysko, najczęściej w łożyskach szybkobież nych. Innymi odmianami łożysk z panewkami segmentowymi są konstrukcje po kazane na rys. 8.7a, b z segmentami „pływającymi" łub podpartymi wahliwie w korpusie łożyska (lys. 8.7d). Ciekawą konstrukcją jest panewka przystosowana do elastycznego mocowania w szczelinie prześwitu korpusu. Różnorodność odmian konstrukcyjnych wynika z konieczności spełnienia warunku nacisku jednostkowego p. Wraz ze zwiększeniem siły F musi się zwiększać powierzchnia S styku czopa wału z łożyskiem. Innym rozwiązaniem są łożyska z panewkami segmentowymi. Łożyska te różnią się sposobem podparcia płytek segmentowych i ich mocowaniem (lys. 8.7). Posiadają panewkę podzieloną na kilka płytek - segmentów, które mogą być „pływa jące" (lys. 8.7b) lub unieruchomione względem korpusu łożyska (lys. 8.7a).
Rys. 8.7. Łożyska z panewkami segmentowym (a-d), e) łożysko z panewką elastyczną do wąskich szczelin
Łożyska w a h l i w e - s a m o n a s t a w n e Przy walach silnie uginających się występuje nierównomierny rozkład naci sków. Nierównomierność jest tym większa, im dłuższa jest krawędź współpracu jąca z panewką. W takim łożysku, w rezultacie niedokładności montażu, drgań, uginania się wału, zmian temperatury i innych czynników osie otworu łożyska i czopa wału nie są równolegle. Powoduje to nierównomierny rozkład nacisków wzdłuż powierzchni styku czopa i panwi, co schematycznie przedstawiono na tys. 8.8a. Zjawisko to jest powodem nierównomiernego zużywania zarówno czopa, jak i panwi. Często w celu częściowego wyrównania nacisków wykonuje się panew z materiałów podatnych na uginanie, np. miękkich metali lub tworzyw sztucznych, lub nadaje się jej „samonastawność" (panewki wahliwe). Wtedy panew jest osadzo na w kadłubie w sposób umożliwiający wahanie względem podstawy.
a)
b)
c)
d)
Rys. 8.8. Rozkład nacisków na styku czopa i panwi w łożysku: a) i b) sztywnym oraz c) i d) wahliwym, przy uginającym się wale
Wśród łożysk ślizgowych waliliwych wyróżnia się wiele różnych konstrukcji, np. przegubowe, kuliste, sprężynowe i wiele innych.
Rys. 8.9. Łożyska ślizgowe samonastawne oparte na przegubie kulistym (lgtis)
W takich przypadkach stosuje się łożyska wahliwe ułatwiające obróUpanewki w korpusie do 5° {rys. 8.9 i 8.10).
Rys. 8.10. Łożysko „oczkowe" walili we z panewką sferyczną i jego zastosowanie
8.6. K o n s t r u k c j a łożysk w z d ł u ż n y c h W łożyskach wzdłużnych, zwanych także osiowymi, obciążenie w stosunku do osi wału ma kierunek wzdłużny (rys. 8.11). Zróżnicowanie wzdłużnych łożysk ślizgowych, podobnie jak łożysk poprzecznych, wynika z konstrukcyjnego ukształtowania powierzchni nośnych (rys. 8.11), np.: czopy mogą mieć kształt płaski, stożkowy lub kulowy. Czop tarczowy opiera się na panwi, zwykle o kształcie pierścienia itp. Przenoszone siły obciążające łożyska są stosunkowo małe, a zatem powierzch nie te mogą być płaskie. W przypadku przenoszenia większych nacisków na po wierzchniach ślizgowych muszą się znajdować klinowate przestrzenie zwężające się w kierunku ruchu. Są one efektem nacięcia klinowatych segmentów na pier ścieniach panwiowych lub na czopach tarczowych albo zastosowania podpartych wahliwie płytek panwiowych. Współpracująca powierzchnia jest zawsze płaska.
Rys. 8.11. Schematyczne przedstawienie głównych odmian ślizgowych łożysk wzdłużnych: a) z czopem płaskim; b) z czopem stożkowym; c) z czopem kulowym; z panwiami o różnych zarysach segmentów: płaskim, stożkowe, schodkowe, d) z panwią segmentową ( 1 - powierzchnia nachylona, 2 powierzchnia oporowa, 3 - rowek doprowadzający smar)
Łożyska z płytkami wahliwymi różnią się sposobem podparcia płytek. Podpar cia mogą być usytuowane na krawędzi (rys. 8.12b), zwykle przebiegającej pro mieniowo względem osi wału (łożysko Michelła, 1905 r.) lub punktowo (rys. 8.12c-e), a mocowane sąnp. za pomocą klipsa (rys. 8.12a) (Kingsbury).
Rys. 8.12. Przykładowe konstrukcje podparcia płytek waliliwych w hydrodynamicznych łożyskach wzdłużnych a) płytka mocowana na bocznych powierzchniach za pomocu klipsa, t v d ) płytki do pracy jednokierunkowe) - podparcie powierzchniowe lub punktowe, c) płytki do pracy dwukierunkowej -podparcie na krawędziach, g) doprowadzenie oleju do łożyska hydrostatycznego
Rys. 8 . 1 3 . Łożyska z płytkami szczelinowymi ułatwiającymi ekspansję smaru na powierzchnie nośne (Kingsbury Inc.); a) łożyska wzdłużne (w rogu płytka segmentowa), b) łożyska poprzeczne segmentowe i sposób ich działania (wypływ i rozchodzenie sic smaru przez szczeliny w płytkach) ;
W łożysku z równoległymi powierzchniami nośnymi można uzyskiwać tarcie płynne na zasadzie ekspansji smaru (tys. 8.13a i b) poprzez szerokie dysze w płytkach ułatwiające wypływ smaru na powierzchnie tarcia (Kingsbury Inc.). W technice wykorzystuje się również łożyska kombinowane, będące połącze niem łożysk poprzecznego i wzdłużnego.
8.7. Ł o ż y s k a z tarciem s u c h y m i m i e s z a n y m Łożysko z tarciem suchym jest stosowane wszędzie tam, gdzie nie jest możli we uzyskanie tarcia płynnego na zasadzie hydrodynamicznej ze względu na małe prędkości ślizgania, a stosowanie wyporu hydrostatycznego jest nieuzasadnione (ze względu na wysokie koszty i złożony układ zasilania) lub niemożliwe do reali zacji.
Rys. S. 14. Ślizgowe łożysko liniowe: a) zasada pracy w porównaniu z łożyskiem kulkowym; b) łożysko z Igliduru J DryLin (firma lgus)
Przykładem takiego łożyska może być łożysko liniowe typu Iglidur. (rys. 8.14b). Aby zmniejszyć jednostkowe naciski na powierzchnie wałków, w panewkach stosuje się szerokie grzbiety klinowych wypustów rozłożonych na całym obwodzie panewki. Rowki umożliwiają dopływ powietrza ułatwiającego odprowadzenie ciepła wytwarzanego w łożysku. Tego rodzaju konstrukcje są szczególnie zalecane w miejscach trudno dostępnych, gdyż nie wymagają konser wacji. Łożyska wykonane z Iglidur J oraz J200 mogą pracować tylko w temperaturze - 4 0 do +90°C. Wykorzystanie wałków lub szyn aluminiowych pozwala na pracę przy większych obciążeniach i prędkościach w temp. -100 do +250°C. To ograniczenie spowodowało powstanie nowych konstrukcji węzłów łożyskowych ślizgowych, które, mimo że działają bez smarów, spełniają funkcję identyczną jak łożyska hydrodynamiczne. Takim przykładem jest łożysko zaprojektowane przez NASA, które może pracować bez środka smarnego w bardzo wysokiej temperaturze, jednocześnie pozwalając na bezobsługowość eksploatacji. Łożysko to (rys. 8.15) jest wyposażone w dwie ukształtowane folie metalowe, z których jedna - płaska - spoczywa na wałku, a druga - ryflowana oddziela wałek od tulei panewki. Styk grzbietów ryflowań powoduje brak możli wości zatarcia zarówno w czasie startu, jak i podczas zatrzymywania się elemen tów wirujących.
Tuleja ^ bezobrotowa
Wirujący wafek
/ Folia .wewnętrzna
1 y\
Folia podatna struktura podporowa
Rys. 8.15. Łożysko bezolejowe konstrukcji NASA
Przy większych prędkościach zawirowanie powietrza powoduje powstanie hy drodynamicznej siły nośnej. Ryflowana folia, oprócz tego, że oddziela wałek od panewki, zapewnia podatność z zachowaniem sztywności całego układu. Podobne pod względem konstrukcji do łożyska Igusa są łożyska wykonane jako panwie gumowe w pochwie mosiężnej do wałów napędowych pracujących w wodzie, np. do napędów jednostek pływających, hydroturbin, pomp wodnych itp. Szczególne cechy wkładów gumowych to: wysoka podatność, kompensująca niedokładność montażu, zwiększenie podatności na zdolność wchłaniania zanieczyszczenia, moż liwość smarowania i chłodzenia wodą. Gumowe wkładki mieszczące się w specjalnych tulejach mosiężnych lub ze stali nierdzewnej, mają wzdłużne kana liki ułatwiające chłodzenie łożyska i wypłukiwanie twardych cząstek mineralnych.
łożysko gumowe
Rys. 8.16. Łożysko: a) z panwią gumową, b) w tulei mosiężnej, c) osadzone w pochwie walu napędo wego przykład stosowania w jachtingu
8.8. Obliczanie łożysk ślizgowych poprzecznych Przedstawiony model matematyczny konstrukcji łożyska ślizgowego obejmuje następujące ograniczenia: ttwałości ze względu na zużycie ścierne, ruchowych nacisków powierzchniowych ze względu na zużycie, wytrzymałości czopa łoży ska ze względu na zginanie i ograniczenie cieplne. Modelowane zjawiska zabez pieczają łożysko przed podstawowymi formami uszkodzeń w przyjętych obsza rach dobranych parametrów konstrukcyjnych, założeń i ważności obowiązywania modelu. Przykładowo przy nadmiernym zużyciu zmniejszenie wymiarów średni-
cowych łożyska może spowodować nadmierny wzrost luzu i zmianę ograniczenia nacisków powierzchniowych na ograniczenie nacisków stykowych Hertza. Wy brane cechy materiałowe, np. termoplastycznych tworzyw sztucznych, są silnie uzależnione od temperatury łożyska, co także ogranicza obszar ważności modelu. Ograniczenie trwałości łożyska można wyrazić w postaci zależności: 55,6 -AS,dop •w.. (8.4) odpowiednio graniczna trwałość obliczeniowa i wymagana
gdzie: L i L . z
trwałość [h]; p
it
[MPa]; A 5
d
— średnie ruchowe
naciski
powierzchniowe;
p -F/(l'd) ir
- dopuszczalny wzrost luzu jako różnica dopuszczalnej
i początkowej wartości luzu,
AS p= Ą d 0
o
p
-
S
iap
S [mm]; W - specyficzna praca zuży v
3
cia [J/mm ]; p— współczynnik tarcia; v - prędkość obwodowa poślizgu czopa w panwi, v = ndn/60 000 [m/s]. W tabeli 8.2 podano wartości specyficznej pracy zużycia W różnych materia v
łów w zależności od warunków smarowania. Tabela 8.2. Specyficzna praca zużycia i naciski powierzchniowe łożysk ślizgowych (przy twardym i szlifowanym.czopie R = 1 um) a
Specyficzna praca zużycia W [ J / r a m ] łożysk z twardymi szlifowanymi czopami o chropowatości P. =\ urn okresowe zabrudzenia dobre bez smarowanie w smarze smarowanie smarowania smarem (piasek) 1
v
Materia) łożyskowy
a
Brąz ołowiowy Brąz cynowy
40 45
10 5
Poliamid
-
-
4 2,5 5
Dopuszczalne naciski statyczne Atop t [MPal S
0,25 0,15
2 5 - 15 14-25
-
14 + 9
Ograniczenie ruchowych nacisków powierzchniowych ze względu na zuży cie można zapisać następująco: F Pś,=-J^^Pio dy P
gdzie: FPdopdyn
_
(8-5)
n
siła [N]; d— średnica czopa [mm]; / - szerokość panewki [mm]; dopuszczalne naciski powierzchniowe ruchowe [MPa].
Dopuszczalne naciski powierzchniowe ruchowe: Pdopst /^dopdyn
(8.6)
wyznacza się na podstawie dopuszczalnych nacisków powierzchniowych spo czynkowych p : d o p s t
R. (2,5 + 4)
/-'dopst
(8.7)
gdzie: / j - dodatkowy współczynnik bezpieczeństwa ( / , = 0 , 5 + 1, dla żeliwa j \ - 0,1), R -granica plastyczności materiału panewki [MPa], c
Ta prosta postać zależności średnich nacisków powierzchniowych p wyma ga komentarza ujmującego jej fizyczny sens. Na rysunku 8.17 przedstawiono dwa stany obciążonego siłą F łożyska ślizgowego z tarciem półsuchym: 1 - stan spo czynku przy co = 0 (linia przerywana rozkładu nacisków) i II - stan ruchu czopa przy niewysokiej prędkości kątowej co > 0. k
W spoczynkowym stanie 1 można przyjąć, że rozkład nacisków spoczynko wych na powierzchni styku określonej półkątem opasania
mowany paraboliczną zależnością (patrz rozwiązanie zagadnienia kontaktowego przez 1J. Sztajermana): (8.8) przy kącie opasania: [rad]
Po =0.9 gdzie: E
(8.9)
- sprowadzony moduł sprężystości (E
średni nacisk powierzchniowy (p
k
nieruchomym czopie; y-
= 2 E\ E /(E\+E ));
ipr
= F/dl);
p
2
2
po
- maksymalne naciski przy
luz względny (y/ = A/d).
P
mxv
Rys. 8.17. Analiza rozkładu nacisków p między czopem a panewką w spoczynku (linia przerywana) i w mchu (linia ciągła)
Wielkość maksymalnych nacisków wynika z równania równowagi dla czopa stykającego się z panewką o długości /: F = Q,5dl j" p costp-dtp
= 0,5p, dl
[C
jcos*
mK
-W!
(8.10)
= |/>m„^sinp,,(2 + cos> ) 0
Z zależności 8.10 wynika: , F Pn,nx = -TT • •
3 ,~
=
2~7
•Pśr ' ^0
(8.11)
c)
o/ s m ^ ( 2 + cos
0
0
Współczynnik nierównomiemości rozkładu nacisków k = p 0
się w zakresie k =1,5 + 3 przy zmianie kąta c
0
Q
i małym kącie opasania (c
m a x
/p
ś r
zmienia
od 90° do 20°. Przy dużym luzie
« 20°) zagadnienie rozkładu nacisków można roz
Q
wiązać na podstawie zależności Hertza. W I I stanie przy ruchu czopa (co > 0) przy tarciu półsuchym (linia ciągła na rys. 8.17) rozkład nacisków staje się niesymetryczny. Na charakter rozkładu ma wpływ smar (z uwagi na zależność sił tarcia od współczynnika tarcia). Wówczas przy dużych kątach opasania (2 120") rozkład nacisków można aproksymo0
wać wyrażeniem: si
2
A«,=(Po+Pi n2
Wielkości p
0
x
ZY = F -0,5d-l
\p (cos
(8.13)
rę
Z równań 8.13 wynika, że: =
P
Przy: k ~ 0
i
r
M
—-5 r- ; s i n ^ ( 2 + c o s > ) ( l + fi ) n
naciski p
Po ^"o ' Pir = k . p
(8.14)
b
= 2 s i n > ( 2 / 3 + cosV ) • (1 =
0
osiągają maksimum p
mK
0
przy kącie ę
0
m
— fi)
~ p = arctg//:
Siłę tarcia i moment tarcia można wyznaczyć z układu zależności: F, = 0,5fi-d-l \p dę xę
= 0 , 5 / / - k - p - d - 1 ( % + 0,5sin2p ) 0
k
J
0
(8.16) T, = 0,5 • F, • d
Ograniczenie wytrzymałości czopa łożyska ze względu na zginanie wynika z elementarnego warunku zginania: M„ F-x F-(0,5-1) F-I -
3
3
4
e
x
g0
dopuszczalne czopa wału przy obustronnym zginaniu. W tym warunku ramię zginania czopa, odpowiadające odległości siły skupio nej F do przejścia czopa ruchowego w wał, przyjęto umownie jako x = 0 , 5 / . W rzeczywistości siła skupiona powinna być przyłożona w środku ciężkości rozkładu nacisków wzdłuż panewki, co oznacza, że dla długich panewek krawędziowy rozkład nacisków ugiętego wału wzdłuż panewki spowoduje zmniejszenie ramie nia x ~ 0,3/, a zatem i zmniejszenie momentu gnącego M . W przypadku powiązania warunku nacisków powierzchniowych łożyska z warunkiem zginania czopa można łatwo uzyskać tzw. współczynnik kształtu czopa A = l / d jako funkcję cech materiałowych konstrukcji łożyska: ^
=
7
=
5
8
V*g°/ ''-Pdopdyn
( -
1 8
)
Wartość tego współczynnika wynika z zasady optymalnych stosunków wielko ści związanych. W starszych doniesieniach literaturowych A
{
= 1,5 dla paiy stal—
spiż [13]. Współcześnie przyjmuje się A z przedziału wartości 0,5 + 2 (ogólnie w budowie maszyn) lub lepiej z zawężonego przedziału wartości 0,8 + 1 ze względu na równomierność rozkładu nacisków wzdłuż szerokości panewki.
1
L
K<«s<«<
mm. O.SL
Rys. 8.18. Równomierny rozkład nacisków wzdłuż panewki
Ograniczenie cieplne jest szczególnie ważne dla szybkobieżnych łożysk ze względu na: (1) wpływ temperatury na lepkość środka smarnego; (2) oddziaływa nie temperatury na wyciśnięcie filmu smarnego przy półsuchym lub suchym tarciu powierzchni roboczych; (3) zatarcie łożyska. Średnia temperatura smaru odpowia-
da średniej temperaturze łożyska, która musi być mniejsza od temperatury do puszczalnej t
m
5i t
. Obliczenie średniej temperatury t
dop
łożyska jest oparte na
m
bilansie cieplnym: P =P P T
L+
(8-19)
S
- ciepła doprowadzonego w wyniku mocy tarcia: p
r
= F • p-v
= 0,5F • p-CD-d
(8.20)
- ciepła odprowadzonego przez powietrze: P =Q =a-A -( -t ) L
L
0
lm
(8-21)
ot
2
gdzie: a - współczynnik odprowadzenia ciepła [W/(m K)], A - zewnętrzna 0
powierzchnia łożyska, t
m
- średnia temperatura łożyska, t - temperatura oto ot
czenia), oraz - ciepła odprowadzanego przez środek smarny: Ps=c-p-v( -t ) tv/y
gdzie: c-
(8.22)
wt
właściwa pojemność cieplna smaru (c = 1,9 ....2,1 kJ/(kg • K)), 3
p - gęstość smaru (dla oleju p ~ 0,9 kg/m ), v-
3
wydatek smaru [m /s]; t
-
temperatura smaru wypływającego z łożyska [K], ? - temperatura smaru w e
wpływającego do łożyska [K]. Z bilansu cieplnego: 0,5F-ju-co-d
= a-Ą-(t
m
-t )
+ c-p-v-
we
(z
wy
- / ) w c
wynika, że średnia temperatura łożyska: = '« +ya-Ą[0,5F- -co-d-cpv(t M
wy
Jeśli uwzględni się, że różnica temperatury (At = t
-/
w e
)j
(8.23)
- r ): w e
A/ = 0 K (przy smarowaniu przepływowym z chłodzeniem); A/ = 0.. .3 K (przy smarowaniu przepływowym ciśnieniowym; A/ = 3 . . . 10 K (przy smarowaniu przepływowym ciśnieniowym bez chłodzenia), to można przyjąć A/ = 0 K. Wówczas końcowa postać warunku cieplnego jest następująca: t =*«+
-- -M-(0-d
m
i0f>
0
ce: • współczynnik tarcia p = 0,04 - olej bez zanieczyszczeń, // = 0,14 — olej lek ko zanieczyszczony, // = 0,2 - bez smarowania;
2
•
współczynnik odprowadzenia ciepła: a = 12 W7(m ' K) łożysko w spokojnym powietrzu, a = 2 0 W7(m" K) - łożysko z nadmuchem powie trza, lub a = 7 + 1 2 - / ^ dla prędkości powietrza w > 1 m/s;
•
zewnętrzna powierzchnia ł o ż y s k a ^ = (4... 10)rc •/• d [m ];
•
temperatura dopuszczalna f
2
0
dop
<80°C dla olejów normalnych; /
d o p
<200°C
dla olejów silikonowych. 8.9. Obliczanie łożysk ślizgowych w z d ł u ż n y c h W uproszczonych obliczeniach łożyska ślizgowego wzdłużnego (rys. 8.19) uwzględniane są dwa ograniczenia: • ograniczenie ruchowych nacisków powierzchniowych: AF =
P« ~TT—TiT n{d; ~ d ) - P*v
(8-25)
w
•
ograniczenie cieplne: V
Pśr • Ś , ^ (P*')** gdzie: v . - średnia prędkość obwodowa: v = (0,5 • n(d
(8.26)
śl
śr
z
+ d ) • n)/6 0 0 0 0 [m/s]. w
Rys. 8.19. Łożysko wzdłużne
8.10.
Materiały ł o ż y s k o w e
Czop stanowiący część wału lub osi wykonany jest zwykle ze stali, a element łożyska bezpośrednio stykający się z czopem wykonuje się z tzw. materiałów łożyskowych. Materiały te oprócz właściwości ślizgowych powinny wykazywać: odporność na ścieranie i zatarcie, mały współczynnik tarcia i dobre powiązanie z panewką, łatwe docieranie się, dużą wyuzymałość zmęczeniową, (pozwalającą na stosowa nie dużych nacisków powierzchniowych), dużą odporność chemiczną na oddzia-
bywanie ośrodka oraz podwyższonej temperatury, odporność na korozję, dużą podatność i duże odkształcenia plastyczne (zabezpieczające przed spiętrzeniem nacisków), dobre przewodnictwo cieplne i mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobrą obrabialność, dużą przyczepność do powierzchni panewki. Powin ny też mieć niską cenę i być łatwe do nabycia. Nie ma materiałów, które spełniałyby wszystkie warunki jednocześnie. Ogól nie materiały ślizgowe można podzielić na: (1) metalowe (2) niemetalowe i (3) kompozyty. Ad (1) Materiały łożyskowe metalowe. Stopy stanowią najliczniejszą grupę materiałów ślizgowych. Powinny mieć strukturę niejednorodną, a w jej składzie winien się znajdować miękki składnik o malej wytrzymałości na ścinanie (małe tarcie). Stopy wieloskładnikowe górują właściwościami nad stopami dwuskład nikowymi. • Stopy cyny (83% lub 9 1 % cyny z dodatkiem antymonu i miedzi) wykazują dużą wytrzymałość zmęczeniową i udarową, łatwo się docierają i mają dużą przyczepność do stalowej panewki. • Stopy ołowiowe (6% lub 10% cyny lub bezcynowe) nie ustępują stopom cynowym, a są znacznie tańsze. Struktura stopów jest niejednorodna. W miękkiej osnowie osadzone są twarde kryształy. Stosowane są wyłącznie do wylania na twardym - stalowym podłożu. Ich wadąjest niska granica pla styczności oraz mięknienie w temperaturze powyżej 100°C. •
Stopy na osnowie miedzi - najstarsze materiały - mają dobre właściwości ślizgowe i mechaniczne. Cechuje je duża twardość i wytrzymałość zmęcze niowa: - brąz cynowy (80% miedzi, 10% cyny, 10% ołowiu); - brąz ołowiowy (typowy skład to 70% miedzi i 30% ołowiu + w ilościach śladowych: cyna, nikiel, srebro); - brązy bezcynowe: aluminiowe, krzemowe i antymonowe; - brązy spiekane (8 + 10% cyny oraz miedź); stosowane są dodatki ołowiu kosztem miedzi, nawet do 30%, i 1% grafitu; - mosiądz - ma niższą wytrzymałość, ale lepszą odporność na pracę w podwyższonej temperaturze. • Stopy na osnowie cynku typu Zn-Al (znale) - zastępują drogie brązy. Ich zalety to: dostępność i niska cena składników, wadąjest duża rozszerzalność cieplna. • Stopy aluminiowe typu Al-Sn-Ni, Al-Cu, Al-Fe: - odmiana miękka (79% cyny, 1% miedzi, 1% niklu, oraz glin); mają formę cienko wykonanych warstw na podłożu stalowym; - odmiana twarda (12% krzemu, 1% miedzi, 1% magnezu, 1% niklu oraz glin); używane są w formie lanych panewek; mają średnie właściwości śli zgowe.
• Żeliwa - mają formę lanych panewek. Najlepsze jest żeliwo perlityczne, sto sowane na niezbyt obciążone węzły ślizgowe. W ich strukturze jest obecny wolny grafit. • Pormety - porowate spieki metalowe mające formę porowatego szkieletu metalowego nasyconego olejem lub stałymi środkami smarnymi, polimerami lub niskociernymi babitami; mogą działać bez dodatkowego smarowania. Wyróżnia się pormety żelazne i brązowe • Stal stosuje się jako materiał łożysko film Tożfafegcwy wy, gdy występują bardzo duże naci ski. • Srebro stosowane jest w łożyskach lotniczych w warstwach 0,5 0,75 mm, naniesionych galwanicznie. Ad (2) Niemetalowe materiały śli zgowe. Do tej grupy zalicza się: tworzywa sztuczne, drewno, gumę i grafit. Tworzy wa sztuczne - polimery - dzieli się w zależności od zachowania pod wpły Rys. 8.20. Przykład materiału kompozytowe wem temperatury: go (Glacier); cienka warstwa kompozytu Polimery termoplastyczne pod wpły (brąz z PTFE) na taśmie ze stali nierdzewnej wem ciepła miękną i przechodzą w stan plastyczny, a w niskiej temperaturze ulegają zeszkleniu. Na ogół są roz puszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Zaliczają się do nich: polia midy (PA), policzterofluoroetylen (PTFE), polioksymetyleny (POM, polia cetale), polimidy (PI) i inne. Stosuje się również polimery bezpostaciowe, takie jak poliwęglany (PW) lub polimetakrylan metylu (PMM). Polimery termoutwardzalne i chemoutwardzalne (duroplasty) są nieczułe na zmiany temperatury - nie uplastyczniają się po pierwszym utwardzeniu i są nierozpuszczalne. Po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury ulegają rozkładowi. Stosowane jako składnik materiałów kombinowanych - kompo zytów. Wyróżniamy polimery: żywice fenolowe (FF), mocznikowe (UF), melaminowe (MF), poliestrowe (NP), epoksydowe (E) oraz poliuretany (PU). Polimery jako tworzywa stosuje się w postaci czystej lub modyfikowa nej, przy czym modyfikacja polega bądź na zmianie struktury, bądź na wy pełnieniu tych tworzyw innymi materiałami - dodatkami. Drewno i tworzywa drzewne to jeden z najstarszych materiałów stosowa nych w węzłach tarcia. Łożyska te chłodzi się wodą. Mechaniczne własności drewna - naturalnego polimeru - stanowią wypadkową własności jego ele mentów, jakimi są włókna celulozowe związane w trwałą kapilarno-porowatą strukturę. Szczególnym rodzajem drewna stosowanego na elemen ty ślizgowe jest gwajak (Guaiacum officinale), drewno bardzo twarde, o ciężarze właściwym 1,3 + 1,44 g/cm , o ścisłej, zwartej budowie, o natural3
nych cechach trwałości (odporności na ścieranie), zawierające substancje na dające drewnu właściwości samosmarne. Wady drewna starano się elimino wać, np. przez ścieśnianie struktury lub nasycanie różnymi substancjami mo dyfikującymi - wypełniania porów drewna i międzymolekularnych przestrzeni ścian komórkowych. W wyniku modyfikacji drewna żywicami syntetycznymi otrzymuje się materiał drewnopolimer. Budowa anatomiczna drewna - materiału wyjściowego - pozostaje bez zmian, przestrzenie komórkowe zaś wypełniają się po limerem. Otrzymany nowy materiał łączy w sobie wła sności drewna i polimeru. Oprócz drewna naturalnego . . , ... , . Rys. 8.21. Łożysko stosuje się jeszcze modyfikowane drewno prasowane i j )a nasycane olejem (lignoston) oraz drewno warstwowo drewna bukowe(forniry) klejone i nasycone olejami (lignofol). go Kompozyty tworzywowe uzyskuje się ze skojarzenia kilku materiałów podstawowych w jedną całość w celu uzyskania pożąda nych właściwości. Kompozyty wielowarstwowe typu metal-metal to przede wszystkim materiały dwuwarstwowe (bimetale), które wykonuje się jako ta śmy stalowe z wylaną łub nawalcowywaną na ich powierzchnię cienką war stwą stopu łożyskowego, lub trójwarstwowe, z trzecią warstwą z babitu, czy stej cyny, ołowiu lub indu. Kompozyty typu metal-niemetal to wszelkiego rodzaju powłoki z tworzyw sztucznych na podłożu metalowym. Inne - tworzywa sztuczne, guma, grafit, kamienie szlachetne (rubin, szafir), szkło: . - kompozyty wypełnione to przede wszystkim promety nasycone stopami łożyskowymi: habitami, czystą cyną, ołowiem, indem lub polimerami, np. PTFE lub poliacetalem; - guma jest stosowana tam, gdzie możliwe jest smarowanie wodą: w pompach, maszynach wodnych, łożyskowaniach wałów okrętowych itp.; ze względu na zawartość siarki, w gumie czopy winny być zabezpie czone przez przeciwkorozyjne powłoki ze stali nierdzewnej; - grafit stosuje się w łożyskach pracujących w wysokiej temperaturze, a także smarowanych cieczami wywołującymi korozję lub chemicznie agresywnymi oraz w łożyskach tarcia suchego, np. w maszynach spożyw czych i włókienniczych; elementy grafitowe wykonuje się przez prasowa nie i spiekanie proszków grafitowych z dodatkiem lepiszcza. Do zalet gra fitu zaliczyć można małą rozszerzalność cieplną. Ich wadąjest mała wy trzymałość na ściskanie. r
ś ł
z
2
o w e
z
w k
d k ą
8.11. [1]
Literatura B e l y j V . A . : S o z d a n i a i i s s l e d o v a n i e n o v y h m a t e r i a l o v i k o n s t r u k c j i na o s n o v e p o l i m e r o v i metallov, Riga 1970.
[2]
B e l y j V . A . : T r e n i e i i z n o s m a t e r i a l o v na o s n o v e p o l i m e r o v , l z d . N a u k a i T e h n i k a , Mińsk 1976.
[3]
D i e t r y c h M . ( r e d . ) : P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , t. 2, W N T , W a r s z a w a 1 9 9 9 .
[4]
D m i t r e v V.A.: Dietali maśin, lzd. Sudostroenie, Leningrad 1970.
[5]
E r h a r d G., S t r i c k l e E.: M a s c h i n e n e l e m e n t e a u s t h e r m o p l a s t i s c h e n
Kunst-stoffen,
V D I - V e r l a g , Dusseldorf 1978. [6J
H e b d a M., W a c h a l A . : T r y b o l o g i a , W N T , W a r s z a w a 1980.
[7]
K o c h a n o w s k i M.: Podstawy konstrukcji
maszyn, wybrane zagadnienia,
Wyd.
Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2002. [8]
K o r e w a W . , Z y g m u n t K.: P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , c z . II, W N T , W a r s z a w a
[9]
K u p ć i n o v B.J. et al.: N o v y e a n t i f r i k c i o n n y e m a t e r i a ł y dla u z l o v trenia r a b o t a u ś ć i h
1967. v r-iżime s a m o s m a z k i , T r a k t o r y i s i e l ' s k o - m a ś i n y , 1 9 7 7 , nr 12. [10] [11J
Lawrowski A.: Tribologia Tarcie, zużycie i smarowanie, P W N , Warszawa 1998. L a w r o w s k i A.: B e z o b s ł u g o w e łożyska ślizgowe, W r o c ł a w 2 0 0 6 .
[12]
Łączyński B.: N i e m e t a l o w e części m a s z y n , W N T , W a r s z a w a 1988.
[13]
M a z a n e k E.: P r z y k ł a d y o b l i c z e ń z P K M , W N T , W a r s z a w a 2 0 0 5 .
[14]
Moszyński
W.: Wykład
elementów
m a s z y n , cz. II, Ł o ż y s k o w a n i e ,
Warszawa
1955. [15]
N A S A Facts: Creating a Turbomachinery Revolution. Center Cleveland, Ohio 4 4 1 3 5 - 3 1 9 1 , F S - 2 0 0 1 - 0 7 - 0 1 4 - G R C , R e s e a r c h at G l e n n E n a b l e s an O i l - F r e e Turbinę Engine.
[16]
N e j m a n A.: W y k ł a d z podstaw konstrukcji maszyn z ćwiczeniami
rachunkowy
mi. Łożyska ślizgowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2000. [17] [18]
O s i ń s k i Z. et al.: P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , P W N , W a r s z a w a 2 0 0 2 . W i e l o c h G.: P r a c e n a d m o d y f i k a c j ą d r e w n a s t o s o w a n e g o w w ę z ł a c h tarcia, w: T w o r z y w a sztuczne w nauce i technice, S I M P L A S T 88, Politechnika
Śląska,
Gliwice 1988. [19]
Ż ó ł t o w s k i .1: P o d s t a w y k o n s t r u k c j i m a s z y n , O f i c y n a W y d . P o l i t e c h n i k i W a r s z a w
[20]
V o r o n k o v B.D.: Podśipniki s u h o g o trenia, lzd. Maśinostroenie, M o s k v a 1979.
[21]
M a t e r i a ł y firmy G l a c i e r .
skiej, W a r s z a w a 2002.
[22]
www.efunda.com (dostęp 4.04.2007).
[23]
www.garlockbearings.com (dostęp 22.03.2007).
[24]
www.timken.pi (dostęp 12.03.2007).
[25]
www.kingsbiiry.pl (dostęp 4.04.2007).
[26]
www.igus.pl (dostęp 2.04.2007).
Zagadnienia kontrolne 1. W y m i e ń i o m ó w z n a n e r o d z a j e tarcia. 2. Wyjaśnij r ó ż n i c ę m i ę d z y ł o ż y s k o w a n i e m h y d r o s t a t y c z n y m i h y d r o d y n a m i c z n y m .
3.
J a k i e w a r u n k i m u s z ą b y ć s p e ł n i o n e , a b y u z y s k a ć tarcie p ł y n n e ?
4.
O m ó w z a l e ż n o ś ć w s p ó ł c z y n n i k a t a r c i a o d p r ę d k o ś c i o b r o t o w e j c z o p a ( k r z y w ą Stribecka).
5.
W y m i e ń rodzaje materiałów stosowanych na p a n w i e łożysk ślizgowych.
6.
O k r e ś l , z j a k i c h w a r u n k ó w o b l i c z a się ł o ż y s k a ś l i z g o w e .
9. PRZEKŁADNIE ŚRUBOWE
PRASA DO WYTŁACZANIA OLEJU, Leonardo da Vinci, CodexAtlanticus, c. 1480-1482
9.1. Z a s t o s o w a n i a i charakterystyki Napędowe przekładnie gwintowe, zwane także śrubami lub wrzecionami na pędowymi (lub ruchowymi), przekładniami śruba-nakrętka,' śrubami mechani zmowymi lub aktuatorami liniowymi, służą do przekształcania ruchu obrotowe go w ruch postępowy na znaczną odległość i do przetwarzania energii ruchu obrotowego w energię ruchu liniowego przy dużych siłach osiowych. Główne zastosowania śrub ruchowych stanowią wrzeciona posuwu w obrabiarkach, wrzeciona w zaworach, prasach i podnośnikach, mechanizmy ruchu w urządze niach transportowych (np. zmiana wysięgu żurawi) i w maszynach roboczych (np. roboty). Znacznie rzadziej stosuje się te przekładnie do odwrotnej transfor macji ruchu posuwowego w obrotowy. W tabeli 9.1 podano zastosowania śrub napędowych jako maszyn spełniających funkcje robocze lub nastawcze i sfor mułowano wymagania techniczne. Przekładnie śrubowe należą do najprostszych przekładni. Najszerzej wyko rzystywane są w technice elementarne^mechanizmy gwintowe o zamkniętych łańcuchach kinematycznych, umożliwiających wykonywanie prostych ruchów obrotu i przemieszczania ruchomego ogniwa względem nieruchomego [4]. Zło żone struktury mechanizmów śrubowych są przykładowo stosowane w robotyce. Zawierają one wiele ogniw, połączonych elementarnymi parami kinematyczny mi: śrubową (S), obrotową (R) i przesuwną (T). Z ogniw tych trzech par są zbu dowane różne elementy: (1) typu SR z ogniwa śrubowego S i obrotowego O; (2) typu PS z ogniwa przesuwnego i śrubowego; (3) typu PR z ogniwa przesuwnego i obrotowego.
Tabela 9.1. Funkcje i wymagania przekładni gwintowych
FUNKCJE ŚRUBY JAKO MASZYNY D o przekształcenia ruchu o b r o t o w e g o w ruch liniowy (lub rzadziej do przekształcania odwrotnego)
FUNKCJA NASTAWCZA przekazywanie ruchu z dużą dokładnością i przenoszenie obciążenia • • • • • • •
technika sterowania mechatronika, automatyka przemysłowa robotyka metrologia obrabiarki klasyczne, N C i C N C pojazdy mechaniczne anteny satelitarne
FUNKCJA ROBOCZA przekazywanie momentów i sił
podnośniki, prasy, zawoty dźwignice lotnictwo uzbrojenie motoryzacja
WYMAGANIA WYMAGANIA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
dokładność kinematyczna pozycjono wania nastawczość sztywność osiowa bezobslugowość (zużycie, zacieranie fretting, bezsmarowność, trwałość) akceptowany stosunek kosztu/korzyści samohamowność (lub stosowanie hamulców) bezdrganiowość (tłumienie, efekt stick-slip) bezluzowość lub napięcie wstępne małe wpływy cieplne szczególnie małe prędkości przesuwu o dużej płynności ruchu ciągłego hermetyzacja doprowadzanie mocy (maszyny chemiczne i próżniowe)
obciążalność bezpieczeństwo demontowalność wymienność akceptowalny stosunek koszt / korzyści sprawność często samohamowność
Z wykorzystaniem schematów budowy (rys. 9.la) i kombinatoryki (rys. 9.Ib) połączeń zewnętrznych (oznaczonych „+") i wewnętrznych (oznaczonych „-") pojedynczych elementów można zbudować 12 postaci elementów łańcucha ki nematycznego (rys. 9.la) i 8 różnych przekładni śrubowych. Przy założeniu, że w łańcuchu śrubowym tylko jeden raz wykorzystane zostaną ogniwa PR, PS, SR, można zbudować 6 przekładni śrubowych (rys. 9.Ib). W szerszym ujęciu przekładnia śrubowa może się składać z wielu par śrubowych (np. przekładnie teleskopowe o kolejnym działaniu przeciwnie pochylonych gwintów, przekład nie sumo we i różnicowe o jednoczesnym działaniu odpowiednio zgodnie i prze ciwnie pochylonych gwintów). a
)
M
Rys. 9 . 1 . Strukturyzacja przekładni śrubowych (opis w tekście)
Przekładnie gwintowe dzielą się na przekładnie ślizgowe i toczne. W prze kładniach ślizgowych elementy śruba i nakrętka tworzą parę gwintową ślizgową, natomiast w przekładniach tocznych elementy pary są przedzielone dodatkowy mi elementami tocznymi w obiegu zamkniętym. Na rysunku 9.2 przedstawiono ślizgową (a) i toczną (b) przekładnię gwintową i podano zbiór parametrów tych przekładni. Te klasyczne przekładnie mają strukturę typu 1 (rys. 9.1) ze złożenia ogniwa (a) napędowego 1 z ogniwem (b) napędzanym 7 z ustaleniem PR obrotu śruby i obrotu nakrętki. # Na rysunku 9.3 podano główne kryteria klasyfikacyjne przekładni i na ich podstawie zestawiono rozwiązania konstrukcyjne o różnej strukturze wewnętrz nej w morfologicznym opisie.
b)
a)
r
beztarciowy boczny suport
siła F_..
promień 1 ^ ; 'odziałowy
siia F
"i
J siła/
suport boczny
7
J
y
" ogranicznik obrotu
promień rdzenia r, promień nonu nalny r„
' przesuwna nakrętka *~ \y -:^7- roboczy kąt zarysu a
f
r
beztarciowy ogranicznik ~~ obrotu przesuwna ^ naktetka
:
zwrotna rurka kulek
j/ j jkołnierz
\ kąt rozwarcia zarysu
j Tskok/;
toczna
beztarciowe
j
kanewka łożyska
obrotowa śruba łożysko
j "'„ ' I średni promień tarcia rama suportu rama suportu
wejście momentu T
wejście momentu T
Rys. 9 . 2 . Przekładnia gwintowa: ślizgowa (a) i toczna (b)
W zależności od zarysu odniesienia (rys. 9.3) gwinty można podzielić na cztery grupy: metryczne M, trapezowe symetryczne Tr, prostokątne Pr (nieznormalizowane w dwóch odmianach zarysu symetrycznego: typowy o kącie
rozwarcia 0° i modyfikowany o kącie rozwarcia 10°), trapezowe niesymetryczne S (znormalizowane w dwóch odmianach o pomocniczym kącie pochylenia 30 i dla pras 45°). Gwinty symetryczne są stosowane przy siłach dwustronnych, a niesymetryczne przy dużych siłach jednostronnych. Nieznormalizowane gwin ty prostokątne są korzystne ze względu na sprawność pary gwintowej, lecz uniemożliwiają typową dla gwintów trapezowych kompensację zużycia w celu uniknięcia tzw. martwego chodu mechanizmu przy nawrocie ruchu oraz powo dują trudności wykonawcze przy dużych kątach zarysu a (patrz rys. 9.2). Typowe położenie elementów pary gwintowej (rys. 9.3) jest współśrodkowe. Pary gwintowe o położeniu mimośrodowym są stosowane w zdwojonym ukła dzie kompensującym siły poprzeczne w celu zmiany przełożenia przekładni. W tych przekładniach styk zwojów ma charakter punktowy w wyniku różnych kątów wzniosów y i y linii śrubowej. Funkcja przełożenia {
2
•F(?>i) = v /cO|fl'i = 0,5 (d /d )tgy wzrasta przy zwiększaniu stosunku średnic zwojów d /d\. Małe przemieszczenia nakrętki w stosunku do skoku śruby i małe straty tarcia w styku zapewniają dużą płynność ruchu. 2
2
A
2
2
W typowych przekładniach nie jest stosowane promieniowe przesunięcie (A = 0) zarysów gwintów (rys. 9.3). Przesunięcie zarysu (A > 0) przy parowaniu stalowej śruby z nakrętką z tworzywa sztucznego jest podyktowane względami wytrzymałościowymi; ma na celu wzmocnienie zginanych i ścinanych zwojów nakrętki, wyrównanie podatności śruby i nakrętki oraz wyrównanie rozkładu nacisków wzdłuż gwintu. Duża podatność promieniowa nakrętki (rys. 9.3) jest wykorzystywana w fa lowych przekładniach gwintowych do uzyskania skrajnie powolnych przesunięć liniowych (np. 0,025 mm/obr). Podatna rura śruby przybiera eliptyczny kształt sztywnego prętowego generatora fali i styka się w dwóch punktach z gwintem podatnej nakrętki. Gwinty mają różne średnie średnice gwintu przy jednym i tym samym skoku. Różnica liczb krotności gwintu śruby i nakrętki powinna być równa liczbie fal odkształcenia wzbudzonych w podatnej nakrętce przez śrubę lub stanowić jej krotność. W zależności od występowania eleinentu pośredniczącego w parze można wyróżnić: przekładnie ślizgowe (bez elementu pośredniczącego), przekładnie toczne kulkowe i wałeczkowe oraz przekładnie planetarne (rys. 9.3). Toczne przekładnie śrubowe wyróżnia: wysoka twardość powierzchni kulek i po wierzchni tocznych gwintu (HRC > 55+60), bliski liniowemu styk toczących się kulek ze śrubowymi bieżniami śruby i nakrętki, wysoka spraw ność (rj = 0,90+0,95), a zatem brak samohamowności, mały współczynnik tarcia (jU = tgp = 0,005+0,010), duża dokładność pozycjonowania, brak efektów drgań samowzbudnych przy małych prędkościach ruchu (stick-slip) i równo mierność ruchu postępowego. Rolkowo-planetarne przekładnie śrubowe zapewspr
niąją pożądaną często samohamowność oraz dużą prędkość obrotową. Na foto grafiach (rys. 9.4) przedstawiono ślizgowe i toczne wrzeciona gwintowe. a)
•
b)
Rys. V , H . Wrzeciona gwintowe: a) ślizgowe; b) toczne
Ślizgowe przekładnie śrubowe zespolone z przekładnią ślimakową są często stosowane w dźwignikach (rys. 9.5a) do podnoszenia dużych mas i w napędach nastawczych liniowych (rys. 9.5b), w urządzeniach przemysłowych, domowych, biurowych medycznych i rehabilitacyjnych (przekładnia pseudoślimakowa: śli mak typu ZA - koło walcowe o zębach skośnych).
Rys. 9.5. Ślizgowe przekładnie gwintowe zespolone z przekładniami ślimakowymi w napędach dźwigników (a) i w liniowych napędach nastawczych firmy LINAK (b)
Na rysunku 9.6 przedstawiono zrealizowany przez autora liniowy napęd nastawczy do podawania drutu w spawarkach.
Rys. 9.6. Zespól napędowy do podawania drutu w spawarkach (silnik prądu stałego N, = 40 W, «, = 2540 obr/min; dwie przekładnie planetarne ( I ) o przełożeniu = u,ih = 36; przekładnia wal cowa (2) o przełożeniu « = 2,7 i element wykonawczy w postaci ślizgowej śruby napędowej z układem (3) sterowania impulsowego i ograniczania skrajnych położeń wysięgu śruby) 3
W napędach tocznych ruch elementów tocznych po zamkniętej trajektorii wewnątrz nakrętki z nawrotem od końca odcinka roboczego do początku jest zapewniony przez zwrotnice znajdujące się we wnętrzu nakrętki (rys. 9.3b, 9.7a) lub na zewnątrz nakrętki (rys. 9.7b).
Rys. 9.7. Toczne kulkowe przekładnie śrubowe z obiegiem kulek wewnątrz nakrętki (a) i z ze wnętrzną zwrotnicą kulek w przekładni kierowniczej samochodu (b)
Ciekawe pod względem konstrukcyjnym są śrubowe przekładnie rolkowo-planetarne (rys. 9.8) produkowane przez znane wytwórnie łożysk tocznych (SKF, INA).
9.2. E l i m i n a c j a luzów w przekładni śrubowej W nastawnych napędach śrubowych zwrotnych wymagania bezluzowości gwarantują dokładność kinematyczną mechanizmu bez „martwego" chodu i małe obciążenia dynamiczne przekładni. Luz boczny zarysów gwintu śruby i nakrętki wynika z potrzeb technik wytwarzania i wymienności części oraz z warunków smarowania. W przekładniach śrubowych z polimerowymi nakręt kami (z PA, PA/PE -Ultramid A3R, POM - Turcite A firmy Busak) niepożąda ny luz kasuje się przez dopasowanie śruby do uprzednio wykonanej nakrętki przy pasowaniu średniej średnicy gwintu H8/e8. Przy nastawianiu luzu podany mi na rys. 9.9 metodami konstrukcyjnymi może się pojawić napięcie wstępne zwojów. Siła napięcia wstępnego F wywołuje wzrost momentu tarcia śrubo0
wych połączeń mchowych nastawczych w stosunku do normalnych połączeń z luzem oraz wzrost sztywności osiowej c = F/s i przejście ze stanu niesamohamowności do stanu samohamowności pary gwintowej. x
SPRĘŻYSTE noptecie zwojów śruby
z A
S A D
x
NASTAWIENIE
pochylenie czesci nokretki
promieniowe czesci nakrętki
SZTYWNE
osiowe czesci nakrętki
p r z e s t a winie zwojów śruby
rh
0 N
S T
R U K
C
J
NASTAWIENIE promieniowe czesci nakrętki
& li! i iii f
i
s III s
irh
i i
L
ii
II!
rfl
-i
i
1
r
i
-i
* f
ii
m
•;!'!
l
R 11 11
iii
ii!
11
U
1
•sztuczne wytworzenie bledow
skoku
•sztuczne wytworzenie bledow przylegania
K
•zaklesz czenie zarysów
11
i: r
A U W A G I
osiowe czesci nakrętki
11 1I \1 i I i% i 1 i
1
K
odchyl ne czesci nakrętki
•sztuczne wytworzenie bledow skoku
•sztuczne wytworzenie bledow skoku
•sztuczne wytworzenie bledow przylegania
\ i.
•zokleszczenie zarysów
•sztuczne wytworzenie błedow skoku
Rys. 9.9. Kształtowanie luzu przekładni śrubowej środkami konstrukcyjnymi [3]
9.3. M o d e l o w a n i e konstrukcji ś r u b o w e j przekładni ślizgowej 9.3.1. Moment obrotowy i sprawność przekładni śrubowej Wejściowy moment napędowy T wywołuje działanie przekładni śrubowej. Musi on pokonać momenty oporowe powstałe pod wpływem przyłożonej siły osiowej F w wyniku tarcia na powierzchniach roboczych gwintu T, i na oporo wych powierzchniach łożyska wzdłużnego Tin, które są równe: N
g
7
•
7
N= ig
+ 7
'u,'.
T^=0,5-F-d -tg(y
+ p)
2
•
( .2a) 9
przy umownym ruchu opuszczania T =0,5-F-d -tg(y-p) t&>
•
(9.1)
przy umownym ruchu podnoszenia
(9.2b)
2
przy ślizgowym łożysku wzdłużnym T =Oć-F-d„-M \ H
przy:
0
(9.3)
tgr = ~V
=
i"=' tgp'=—^—;
£ :
' T-; n-d
7i -d
2
cosa,.
2
d„=0,5(D,+d„)
(9.4)
gdzie: F - siła osiowa, d - średnia średnica tarcia pary gwintowej (średnica podziałowa gwintu), y - kąt wzniosu gwintu, P - skok gwintu, P - podziałka gwintu, z - krotność gwintu, a, roboczy kąt boku gwintu, p - kąt tarcia gwintu, p - pozorny kąt tarcia gwintu, p współczynnik tarcia gwintu, p - współczyn nik tarcia łożyska ślizgowego, d - średnia średnica tarcia łożyska ślizgowego, D - średnica zewnętrzna łożyska, d - średnica wewnętrzna łożyska. 2
h
g
g
m
z
w
Sprawność przekładni śrubowej rj,„ można wyznaczyć następująco: T -M -t] = F-v ; N
N
(9.5)
p
Prędkość kątowa ogniwa wejściowego przekładni co^ jest powiązana ścisłym związkiem kinematycznym prędkości obwodowej v z prędkością liniową v (posuwu wzdłuż gwintu): N
— = 7i •
• — - 2n • n. • 2 " 2
2
5
p
cL • n, = n • d • — P n
2
h
skąd: (9.6) "h Po podstawieniu zależności (9.6) do (9.5) można uzyskać, z uwzględnieniem zależności (9.1), (9.2a), (9.3) i związku geometrycznego (9.4): F-P„ tgy ^ N = ^ ~
2 k
-
T n
tg(r
+
p')
+
-
2
^ F-d
w
2
Przy pominięciu momentu na oporowych powierzchniach łożyska wzdłużne go T ~ 0; (np. dzięki zastosowaniu łożyska tocznego z rys 9.Ib) sprawność przekładni śrubowej i] jest równa sprawności pary gwintowej // (rj = ;/ ) przy: [0
g
Vs
=
;
/
g
(9-8)
A
Przy wymaganiach wysokiej sprawności rj śrubowej przekładni ślizgowej należy zatem wybierać gwinty wielokrotne (zwojność z = 2+4), o dużych warto ściach kąta wzniosu gwintu y, oraz gwinty o małych wartościach roboczego kąta boku zwoju, dla których kąt tarciap ~ p (czyli p ~p). W pewnych śrubowych przekładniach ślizgowych wymagana jest samohamowność (y < p) Wówczas wybiera się gwinty jednokrotne (zwojność z = 1). Na granicy samohamowności y~p sprawność pary gwintowej: g
„ '
s
=
w tg(r + p)
=
jggl t 2p S
=tg/P B
-.izigV i-i.tgv =
H
2tgp
2
2
co o z n a c z a , ż e s p r a w n o ś ć s a m o h a m o w n e j pary gwintowej 77 < 0 , 5 . M a k s y m a l n ą s p r a w n o ś ć pary g w i n t o w e j m o ż n a znaleźć, rozwiązując r ó w n a nie
di]/dy
= 0,
co o d p o w i a d a kątowi w z n i o s u gwintu
y,, ax= m
n/4 - p
12.
9.3.2. Wymagania konstrukcyjne Z b i ó r ograniczeń m o d e l u m a t e m a t y c z n e g o konstrukcji p o w i n i e n u w z g l ę d niać g ł ó w n e w y m a g a n i a „ ą u a s i - s t a t y c z n e " : •
w y t r z y m a ł o ś c i z m ę c z e n i o w e j (lub statycznej) śruby p o d d a n e j działaniu n a p r ę ż e ń rozciągających i skręcających
I x ,);
•
stateczności w y b o c z e n i o w e j w p r z y p a d k u ściskanej śruby F < (F
•
z u ż y c i a g w i n t u nakrętki, z w a n e także w a r u n k i e m n i e w y c i s k a n i a s m a r u lub nacisków powierzchniowych
KR
M
F-P P
Z uwzględnieniem i sztywnościowych:
2
2
Pd0f
n-{d -D )H„~ dodatkowych
wymagań
dynamicznych,
zużyciowych
•
s a m o h a m o w n o ś c i p a r y g w i n t o w e j (y < p ) ,
•
częstości d r g a ń w ł a s n y c h w z d ł u ż n y c h u k ł a d u (/ > Jomm),
• •
częstości d r g a ń p o p r z e c z n y c h (a> < cuokr), o g r a n i c z e n i a ze w z g l ę d ó w z u ż y c i o w y c h p r ę d k o ś c i poślizgu (v < v
0
max
s
•
i d o p
),
ograniczenia w z d ł u ż n y c h o d k s z t a ł c e ń śruby w y w o ł a n y c h siłą o s i o w ą i m o m e n t e m skręcającym (A < A ) , z b u d o w a n y zostanie m o d e l m a t e m a t y c z n y konstrukcji śrubowej p r z e k ł a d n i śli zgowej ( r y s . 9.9), k t ó r e g o r o z w i ą z a n i e p o z w o l i n a w y z n a c z e n i e d w ó c h z m i e n nych d e c y z y j n y c h , czyli p o s z u k i w a n y c h cech konstrukcyjnych. Z b u d o w a n y model m a t e m a t y c z n y konstrukcji o p t y m a l n e j [6] składa się z e zbioru 1 0 o g r a n i czeń obszaru r o z w i ą z a ń d o p u s z c z a l n y c h i fuAkcji kryterium (celu): m a s a śruby (tab. 9.2). Z a d a n y jest także o b s z e r n y zbiór p a r a m e t r ó w z a d a n i a o p t y m a l i z a c y j nego, który w r a z ze z b i o r e m s z u k a n y c h z m i e n n y c h d e c y z y j n y c h średnicy i s k o ku śruby s t a n o w i zbiór g e o m e t r y c z n y c h , m a t e r i a ł o w y c h i d y n a m i c z n y c h cech konstrukcji p r z e k ł a d n i . d o p
Tabela 9 . 2 . Model matematyczny konstrukcji optymalnej śrubowej przekładni ślizgowej OGRANICZENIE
Nr 1
Stateczność
F
i F lx
MM
kr
K EJII -X 2
=
w
W
W
(Euler)
2
Wytrzymałość
3
Samohamowność
Ir
5
Częstość drgań własnych wzdłużnych układu
6
Trwałość
7
Trwałość
\
2
• tgp'
2
Prędkość krytyczna drgań poprzecznych
f
Y < p' p < nd
4
V
*Ą
n?" ' <j~P
"""< < <> ~
co
m
f
=
0
d
/_£_
>/
> 2n/ ^
2
4
^ ""max 2 _ t p ™ ^ 2 rf
Hz
0
przyc--
^
omin
,,
=
Dmin
v
„
L
,
,
/r
» . "'°" < , , , V" *l fo
p
2
8
OHkcTtMlrrnia
(odchyłka skokm na długości 1 mb)
<
A =
— *' 2
0 0
^max p
+ •—
,'
< A
(fo/7
<
c
4
4
F,
x
przy M - ™ " 9
Drgania saninwzbudne
v>v
10
Geometryczne
H„ld
KRYTERIUM:
= 0,2 m/s
mm
2
= zp!d
2
<
P = 1 , 0 + 1 , 5 przy z <
masa M, śruby lub koszt K, A'j = c -M, = c -^--Lc> k
r/ -> 2
MIN
k
-> MIN
ai
= 10+12
a)
Dane WE: Fmax; m l ; m2; L; V = Vmin,..., Vmax
ZADANIE:: zaprojektować przekładnię śruba nakrętka
Szukane WY: d2;p;
Okoliczności: Śruba o dużej smukłości s>sgr
b)
E
D
lr-il
Schemat kinematyczny napędu posuwu stołu silnikiem stałomomentowym prądu stałego Oznaczenia: E - silnik; m , - masa stołu; m ^ masa przedmiotu; F - obciążenie zewnętrzne; L - długość śruby; p - skok gwintu; d^- średnia średnica gwintu; v - prędkość
Rys. 9.10. Definicja zadania (a) i schemat konstrukcji maszyny technologicznej (b) [5]
Zadanie optymalizacyjne przy dwóch zmiennych decyzyjnych (średnicy po działowej d i skoku śruby P) może być rozwiązane graficznie. Na rysunku 9.11 przedstawiono dwa rozwiązania zadania dla przypadku (a) pełnego zbioru ogra niczeń - quasi-statycznych i dynamicznych^ - oraz dla przypadku (b) jedynie ograniczeń ąuasi-statycznych. Na płaszczyźnie {d , P) zaznaczono położenie konstrukcji optymalnej o współrzędnych (d , P) . 2
2
2
0Jli
Rys, 9.11. Rozwiązanie zadania optymalizacji śrubowej przekładni ślizgowej na płaszczyźnie zmiennych decyzyjnych średniej średnicy d i skoku P śruby: (a) z ograniczeniami dynamicznymi i zużyciowymi, (b) bez ograniczeń dynamicznych (oznaczenia ograniczeń: 1 - wyboczenie; 2 wytrzymałość; 3 - samohamowność; 4 - drgania poprzeczne; 5 - drgania wzdłużne; 6 - trwałość zużyciowa (prędkość); 7 - trwałość zużyciowa (naciski) 2
9.4. Literatura [1] Branowski B., Torzyński D.: Nowe skojarzenia uzwojeń uzwojeń zazębień mikronapędów nastawczych maszyn, w: Materiały X Jubileuszowej Konferencji: Metody i środki projektowania wspomaganego komputerowo, t. I, Politechnika Warszawska, IPBM, Warszawa 1995. [2] Branowski B., Torzyński D.: Strukturyzacja przekładni śruba-nakrętka, w: Materiały Seminarium Przekładnie mechaniczne specjalne, Politechnika Warszawska, Instytut Podstaw Budowy Maszyn, Warszawa 1996. [3] Branowski B., Torzyński D.: Przyczynek do projektowania nastawczych mechani zmów śrubowych stalowa śruba - polimerowa nakrętka, w: Materiały Konferencji „Zastosowanie nieklasycznych modeli materiałów w projektowaniu", Politechnika Poznańska, Poznań 1996. [4] Grodzinski P.: Getriebelehre. II Angewandte Getriebelehre, Walter de Gruyter & Co., Berlin 1923. [5] Szewczyk K.: Połączenia gwintowe, PWN, Warszawa 1991. [6] Wrotny L.T.: Projektowanie obrabiarek, WNT, Warszawa 1986.
Zagadnienia kontrolne 1. 2. 3. 4. 5.
Podaj funkcję przekładni śruba-nakrętka. Scharakteryzuj obszary zastosowań przekładni śrubowych. Podaj ważne cechy geometryczne uwzględniane w klasyfikacji morfologicznej przekładni gwintowych. Podaj sposoby eliminacji luzów w przekładni Zbuduj model matematyczny konstrukcji przekładni gwintowej
10. SPRZĘGŁA I HAMULCE
K A T A P U L T A Leonardo da Vinci, Codex Atlanlicus, c. 1485-1490
10.1. Sprzęgła - funkcje, podział i obciążenie •\ Sprzęgło napędowe (rys. 10.1) jest zespołem składającym się z elementów słu żących do połączenia sąsiednich ogniw napędów (najczęściej dwóch wałów) wy konujących ruch obrotowy w celu przekazania momentu obrotowego z członu czynnego (napędzającego) na bierny (napędzany).' Umieszczenie sprzęgieł w układzie napędowym umożliwia rozłączanie członów maszyn w celu uprosz czenia transportu czy montażu. Pomiędzy członami sprzęgła znajdują się łączniki (np. kołki, elementy elastyczne, ciecz), które wpływają na sposób i charakter przekazania momentu obrotowego. Przekazywany moment obrotowy i prędkość obrotowa nie zmieniają ani wartości, ani kierunku. część c z y n n a sprzęgła
łącznik
czton czynny
sprzęgło
część b i e r n a sprzęgła
człon bierny
• przenoszenie momentu Rys. 10.1. Schemat budowy sprzęgła
Połączenia członów mogą być sztywne (brak możliwości ruchu względnego członu czynnego względem biernego), samonastawne (gdy brak jest możliwości dokładnego ustawienia wałów) lub podatne (dla zmniejszenia obciążeń dynamicz nych). i"" Sprzęgła napędowe spełniają cztery podstawowe funkcje (rys. 10.2): łączenia 'wałów, wyrównania niewspółosiowości, włączania/wyłączania przepływu mo mentu obrotowego, zmiany dynamiki n a p ę d u ^ a)
b)
c)
d)
Rys. 10.2. Funkcje sprzęgieł: a) łączenie wałów napędowych, b) wyrównywanie niewspółosiowo ści wałów, c) włączanie/wyłączanie przepływu momentu obrotowego, d) zmiana dynamiki napędu
Warunki pracy mogą stanowić kryterium podziału sprzęgieł. Gdy przeniesienie napędu uzależnione jest od warunków pracy, stosuje się sprzęgła włączalne (umożliwiające rozłączanie członów), jednokierunkowe (gdy jeden z członów obraca się tylko w jednym kierunku), bezpieczeństwa (dla ochrony przed przecią żeniem układów roboczych maszyn) lub nastawne (gdy występuje ruch względny w położeniu łączonych członów podczas pracy). Sprzęgła można również podzielić na nierozłączne (gdy człony w czasie eks ploatacji nie są rozłączane) lub rozłączne (gdy istnieje możliwość rozłączenia członów sprzęgła, np. przy wzroście prędkości ruchu obrotowego lub wzroście wartości momentu obrotowego, podczas zmiany kierunku ruchu obrotowego lub zewnętrznie przez użytkownika). W tabeli 10.1 przedstawiono systematykę sprzę g i e ł nierozłącznych. Klasyfikacja sprzęgieł może dotyczyć charakteru przekazania momentu obro towego, sposobu lub możliwości ustawienia wału napędzająceglTw^pęuem napę dzanego (z przestawieniem poprzecznym, wzdłużnym rub kątowym), .rodząjiu łącznika członów (mechaniczne, elektromagnetyczne czy hydrodynamiczne), mozTiwosćT rozłączania (rozłączne, nierozłączne), sterowania (synchroniczne, asynchroniczne) itd. ; W normach umieszczone są wyczerpujące informacje nt. podziału, budowy i obliczeń sprzęgieł. Uzupełnieniem norm jest literatura katalogowa producentów sprzęgieł. Z projektowaniem sprzęgieł mamy do czynienia w sytuacjach wyjątko wych, gdy brak jest rozwiązań katalogowych. Najczęściej więc sprzęgła dobiera się z katalogów.
Tabela 10.1. Sprzęgła nierozłączne (na podstawie [ 1 , 2 ] ) Zasada przenie sienia napędu
Funkcje Zasada działania
Nazwa sprzęgła
Przykład
para po przeniesienie sztywne tarczowe wierzchni momentu ze śrubami ciernych przez parę powierzchni luźnymi płaskich para powierzchni cylindrycz nych
łubkowe
para p o promieniowe wieloząbwierzchni powierzchnie kowe normal nych tu lej owe osiowa powierzchnia Przegub
metalowe połącze nie ele mentów
przesuwny
kłowe
przegub obrotowy
Cardana
wał-przegub
zębate
miech (obrotowy sztywny)
mieszko we
połączenie metalowe
ze spręż, śrubowy mi rozło żonymi ob wodo wo elastome jeden element kabłąkowt rowe z elastomeru połącze nie ele mentów kilka elasto tarczowe merowych sworznio połączeń we z wkładkami gumowy mi
E
przeniesienia równo równowa momentu ważenia żenia zmian obrotowego przesuwu obciążenia
. O b c i ą ż e n i e sprzęgieł \ W trakcie pracy sprzęgła występują zmiany momentu (przeciążenia) powodo wane przez oddziaływanie członów napędzanego i napędowego. Istotne znaczenie ma nie tylko nierównomierność pracy układów łączonych przez sprzęgło, ale rów nież oddziaływanie masowych momentów bezwładności przy rozruchu, pracy i hamowaniu oraz rodzaj sprzęgła. Przy braku dokładnych danych wejściowych (nt. momentów bezwładności, charakteru pracy urządzenia) w procesie projektowania korzysta się z zależności uproszczonych. Obliczenia polegają wówczas na po większeniu momentu nominalnego T„ do wartości momentu obliczeniowego T : T ^K-T„ j (10.1) Wartości współczynników przeciążenia K zależą od rodzaju sprzęgła.-iPrzykladowo dla układu z napędzającym silnikiem elektrycznym i napędzanym wen tylatorem lub pompą wirnikową współczynniki przeciążenia dla różnych sprzę gieł będą wynosiły: • dla sprzęgieł sztywnych i samonastawnych współczynnik przeciążenia K = K\ + K , gdzie K\ - współczynnik zależny od rodzaju silnika (K\ = 0,25), K - współczynnik zależny od rodzaju maszyny roboczej {K = 0,9^-1,0); czy li K = 0,25+0,95 = 1,15-1,25; • dla sprzęgieł zębatych K = K\K K^, gdzie: K\ - współczynnik zależny od rodzaju napędzającego silnika i napędzanej maszyny, K - współczynnik za leżny od czasu pracy sprzęgła w ciągu doby, Ki - współczynnik zależny od liczby włączeń na godzinę (K= 1,08^-3,00); • dla sprzęgieł podatnych współczynnik K = 1,5 dla podobnych urządzeń na pędowego i napędzającego (niezależnie od sztywności łącznika podatnego); • dla sprzęgieł ciernych współczynnik K = KĄK £ ) ; gdzie K\ - współczyn nik zależny od rodzaju maszyny roboczej, K - współczynnik poślizgu, /C współczynnik zależny od liczby włączeń na godzinę; K może się wahać w szerokich granicach w zależności od liczby włączeń lub średniej prędkości a
0
2
2
2
2
2
2
2
3
3
Vśr-
Dokładne obliczenia współczynników przeciążenia sprzęgieł zostaną przed stawione przy opisie poszczególnych grup sprzęgieł. 10.2. Sprzęgła s z t y w n e Sprzęgła sztywne wykorzystuje się do łączenia wałów o dokładnie ustalonym wzajemnym położeniu zachowanym podczas montażu i pracy. Brak dokładnego ustawienia osi wałów powoduje znaczne, trudne do określenia powiększenie mo mentów gnących i reakcji na łożyskach urządzeń w bezpośrednim sąsiedztwie połączenia. Na rysunku 10.3 przedstawiono przebieg momentu gnącego w układzie dwóch połączonych wałów za pomocą sprzęgła sztywnego.
b)
i l
„
.
. . .
r
15
Rys. 10.3. Zmiana momentów gnących [1] po połączeniu wałów sprzęgiem elastycznym (a) i sprzęgiem sztywnym (b)
Sprzęgła sztywne stosuje się w zasadzie tylko w celach przedłużenia wałów. Przeniesienie momentu wykonuje się za pomocą sprzężenia kształtowego lub ciernego. Obliczenia wytrzymałościowe elementów sprzęgła przeprowadza się z wykorzystaniem momentu obrotowego obliczeniowego T„. W przypadku gdy znana jest wielkość momentu rozruchowego silnika T (np. dla silnika elektrycznego asynchronicznego 1,8-^3 wartości momentu zna mionowego T„) i masowe momenty bezwładności mas zredukowane na oś sprzę gła © i i © , można obliczyć dokładnie obciążenie sprzęgła. Model układu napę dowego ze sprzęgłem sztywnym pokazano na rys. 10.4. r
max
2
T
T
' R max,
T J
J
ZŁI
o
&1
silnik elektryczny
maszyna napędzana sprzęgło
Rys. 10.4. Schemat układu napędowego; Q\ - moment bezwładności przed sprzęgłem, © - mo ment bezwładności za sprzęgłem 2
Gdy rozruch odbywa się bez obciążenia maszyny napędzanej momentem ze wnętrznym, tzn. na biegu luzem, wówczas przyspieszenie: -~
T
e,
r
a
m
*
+©
(10.2)
2
Natomiast maksymalny moment obrotowy na sprzęgle: T =R
6,
- F
=
T ©, •©,
T T
T r max \ .T -~ K - T
0, v
© , + 0
2
T
gdzie: K - współczynnik przeciążenia: K
0, 0 , + e
dla m - —2
T
02
Moment bezwładności maszyny napędzanej:
K
1 m+l
Z ,
T
(10.3)
e=©.p+
(io.4)
2
gdzie: © - moment bezwładności na wale sprzęgła; 0 , - moment bezwładności wirujących mas na /-tym wale przekładni; /) - przełożenie kinematyczne ('-lego stopnia przekładni (7, = coj co,). W przypadku przemieszczających się mas w mchu postępowym (np. projek towania wciągarki linowej) wzór przybiera postać: sp
gdzie: nij - masa ./-tego elementu w ruchu postępowym; v, - prędkość liniowa j -tego elementu w ruchu postępowym; co - prędkość kątowa wału sprzęgła. Momenty bezwładności dla walca kołowego pełnego: s
r> ©
=
m
'
D
l
n[kg-m2
a dla walca kołowego drążonego 8
Przeciążenia sprzęgieł mogą być powodowane rozruchem, pracą w zakresach rezonansowych prędkości obrotowych (przechodzenie przez te prędkości) lub występowaniem momentów uderzeniowych związanych z luzami kątowymi na sprzęgle. 10.2.1. Sprzęgła sztywne kołnierzowe (tarczowe) Sprzęgła składają się z dwóch tarcz (osadzonych lub wykonanych na łączo nych wałach) połączonych śrubami pasowanymi (lub z zastosowaniem pasowa nych dodatkowych tulejek) bądź luźnymi (rys. 10.5). Ze względu na zmiany mo mentu obrotowego w sprzęgłach nie zaleca się stosować jedynie połączeń ze śru bami luźnymi. Przekazanie momentu obrotowego w sprzęgłach ze śrubami paso wanymi odbywa się przez powierzchnie ścinanych śrub, w połączeniach luźnych siłami tarcia na powierzchni czołowej tarczy wywołanymi napięciem osiowym śrub.
Rys. 10.5. Sprzęgła sztywne kołnierzowe (na podstawie [9]): a) ze śrubami luźnymi z centrowa niem za pomocą jednego z łączników, b) ze śrubami luźnymi z centrowaniem za pomocą tulei pośredniczącej, c) ze śrubami pasowanymi, d) z pasowaną tulejką
W sprzęgłach kołnierzowych w zakresie średnic wału d = 1CK220 mm przyj muje się rozstaw śrub D ~ (2-^5,5)-d przy czym wartości D ~ 2-d dla najwięk szych średnic wału, a D ~ 5,5-d dla najmniejszych. Szczegółowe wymiary sprzęgieł można znaleźć w literaturze katalogowej. Przyjmując wymiary charakte rystyczne sprzęgła kołnierzowego (rys. 10.6), można przeprowadzić obliczenia. w
u
m
0
0
w
w
9P: HfRys, 10.6. Charakterystyczne średnice w sprzęgle kołnierzowym; D - średnica zewnętrzna sprzę gła, D | - średnica rozstawu śrub, - średnica wału, d - średnica śruby, d,. - średnica rdzenia śruby (
W obliczeniach sprzęgieł kołnierzowych ze śrubami pasowanymi sprawdza się wytrzymałość śrub. Moment obrotowy T \ s
T =0,2 • dl-k s
(10.6)
s
gdzie: d - średnica wału; k - naprężenia dopuszczalne na skręcanie. Przy założeniu, że rozstaw śrub DQ — 2,4-d , siła obwodowa: w
s
w
T, 0,2-dl-k, . . . ,, , i— = _ J 1 ; — i - = o,12-ri;-k. (10 7) 0,5 •£>„ 0,5 • 3,4 -d„ ' W tych sprzęgłach stosuje się najczęściej pasowania śrub w otworach H7/J6, H7/k6, H7/m6. Siła obwodowa F obciążająca ścinaniem jedną śrubę jest równa wcześniej wyznaczonej z warunku skręcania wału sile obwodowej: F =
K
1
n-d F = z-^--k,=0,\2-d ,-k 4 2
s
gdzie: d - średnica śruby; z - liczba śrub. Stąd: 0,12-d -k. z=• •k, 4 2
(10.8)
|
2
0,15 -d 2
l -k,
-k. (10.9)
gdzie: k, - naprężenia dopuszczalne na ścinanie. W sprzęgłach ze śrubami luźnymi obciążenie przenoszone jest siłami tarcia wywołanymi napięciem wstępnym śrub: Q-z-n>F gdzie: Q - siła napięcia wstępnego.
(10-10)
Przy dokładnych obliczeniach należy uwzględnić występowanie momentu skręcającego w śrubie (związanego z tarciem w gwincie T = 0,5-d -Q- tg(y+p') (gdzie y - kąt pochylenia zwojów gwintu śruby, /)' - pozorny kąt tarcia w połą czeniu gwintowym) oraz z tarciem na podporowej powierzchni nakrętki T = Q-ft-Dś/2 (gdzie fx - współczynnik tarcia pomiędzy nakrętką a sprzęgłem, Dśr - średni promień tarcia nakrętki); po zsumowaniu momentów tarcia (T = T \ + 7^2) ostatecznie obliczamy naprężenia zredukowane w śrubie s]
r
s2
s
s
1
2
cr, - Ao + 3 r . W obliczeniach zgrubnych można powiększyć siłę Q do war tości (l,2+l,3)-Q w celu wstępnego powiększenia zapotrzebowania śrub na przenoszony moment skręcający; z - liczba śrub (najczęściej 4 , 6, 8); // - współ czynnik tarcia tarcz sprzęgła, najczęściej /.t = 0,1+0.2. Siła napięcia wstępnego śrub:
Q = —f-K
(io.li)
4
gdzie: d - średnica rdzenia śruby; k, - naprężenia dopuszczalne na rozciąganie. Podobnie jak powyżej, można wyprowadzić zależność do bezpośredniego ob liczenia średnicy rdzenia śruby luźnej: r
0,12 -dl-k. n-d;
0,15-dl ,
4
-k.
d)-ix-k
(10.12)
r
'
lub przy zakładanej liczbie śrub obliczyć średnicę rdzenia: d>
^ł—\ix-z-/i-k
r
(10.13)
r
ZADANIE 10.1. Oblicz liczbę śrub: (a) pasowanych i (b) luźnych w sprzęgle kołnierzo wym. Sprzęgło łączy silnik elektryczny z pompą wirnikową. Przenoszona moc napędu N- 3,5 kW, prędkość obrotowa n -•• 200 obr/min. Znane są własności wytrzymałościowe materiału na wał (k = 120 MPa) i śrub (k, = 80 MPa, k = 125 MPa). Załóż średnicę ścinaną śruby d = 6 mm i średnicę, na której rozmieszczone są śruby D ~ 3,4-d dla średnicy wału d = 20+25 mm. SJ
r
0
w
w
R o z w i ą z a n i e : Obliczamy moment obrotowy T = /C-9550 N/n. K = K\ + K , gdzie A'i = 0,25 - współczynnik zależny od rodzaju silnika, K = 0,95 współczynnik zależny od rodzaju maszyny roboczej; K = 0,25+0,95 = 1,2; 2
2
T„ =9550-3,5/200•1,2 = 200,55 N-m Obliczamy średnicę łączonych wałów: d„ > i — —
, ^ 16-200550 , „„ ;d >3 — ; d . > 20,42 mm w
''ifi,.
V
n-120
D = 3,4-20,42=69,43 mm. 0
a) L i c z b ę ś r u b p a s o w a n y c h p o t r z e b n y c h d o p r z e n i e s i e n i a n a p ę d u o b l i c z a m y na p o d s t a wie wyprowadzonej zależności (10.9): ^
2
0 , 1 5 - 2 0 , 4 2 -120
_
>
?
6
P r z y j m u j e m y l i c z b ę ś r u b z = 4. b) W p r z y p a d k u śrub luźnych obciążenie jest p r z e n o s z o n e p r z e z napięte w s t ę p n i e śruby (przy rdzeniu śruby o założonej średnicy 6 m m ) ; z a t e m liczba śrub (z z a l e ż n o ś c i 10.12):
Przyjmujemy liczbę śrub 2 = 8. N a l e ż y p a m i ę t a ć , ż e są to o b l i c z e n i a u p r o s z c z o n e ( p a t r z k o m e n t a r z p o w y ż e j d o t y c z ą cy siły Q). K o r z y s t a j ą c z e w z o r u n a ś r e d n i c ę r d z e n i a ś r u b y d
n
i przy założeniu liczby
śrub np. z = 4:
P r z y c z t e r e c h ś r u b a c h ś r e d n i c a r d z e n i a ś r u b y d > 12,03 m m , n a j b l i ż s z y z n o r m a l i z o r
w a n y gwint m e t r y c z n y śruby wynosi M l 4 lub (z u p r z y w i l e j o w a n e g o szeregu) M l 6 .
10.2.2. Sprzęgła sztywne łubkowe Stosowane są w napędach wolnobieżnych do przenoszenia ograniczonych momentów obrotowych o niewielkich zmianach w czasie. Umożliwiają prosty montaż i demontaż bez konieczności poosiowego rozsuwania wałów. Moment obrotowy przenoszony jest siłami tarcia (wywołanymi przez siły osiowe w śru bach złącznych), a dodatkowe połączenie wpustowe zabezpiecza sprzęgnięte wały przed niekontrolowanym poślizgiem łączonych elementów podczas przeciążenia. Przy dużych prędkościach obrotowych części sprzęgła o niewyrównoważonych dynamicznie masach powodują powstawanie dodatkowych sił dynamicznych. Istnieją dwa przypadki połączenia sprzęgła z wałami (rys. 10.7): • pasowane luźno - Hlh (w modelu połączenie ze stykiem punktowym; mo ment tarcia T„ = 2-Q-d-i-/u, gdzie i - liczba śrub po jednej stronie sprzęgła, p współczynnik tarcia); • pasowane ciasno - His (w modelu połączenia w podatuej piaście rozkład nacisków p na obwodzie wału jest równomierny, a moment tarcia T = 0,5-71-Q-i-d-p. 0
W sprzęgle łubkowym (rys. 10.8) o ciasnym pasowaniu siła Q w pojedynczej śrubie: Q ^ ^ ^ ~
(10.14)
7t • i • jU • d
gdzie: / - liczba śrub po jednej stronie (3+4); d - średnica czopa wału; // współczynnik tarcia (u = 0,12+0,25).
UJ -
rfi
N •EP.
y Rys. 10.8. Sprzęgło łubkowe [19, 23]
10.2.3. Sprzęgła sztywne wieloząbkowe W sprzęgłach wiełoząbkowych (rys. 10.9) ząbki nacięte są na powierzch niach czołowych łączonych wałów, tak że linie zębów przechodzą przez punkt na osi wałów.
Rys. 10.9. Sprzęgło wieloząbkowe [1]: a) geometria (A - ząbki symetryczne, B - ząbki niesyme tryczne); b) przykładowe połączenia wału korbowego
Do prawidłowej pracy wymagane jest stabilne napięcie osiowe. Wytwarzanie sprzęgieł tego typu jest drogie ze względu na wymagane małe błędy podziału zę bów (błędy te wpływają na nierównomierność obciążenia poszczególnych zębów). Zęby sprzęgła są ściskane i ścinane, zginane i poddawane naciskom powierzch niowym od siły osiowego napięcia śrub dociskowych wałów. W obliczeniach najczęściej przyjmowana jest podwyższona suma składowych osiowych nacisków międzyzębnych wywołanych momentem T , równa 2-T , w celu zabezpieczenia połączenia przed luzowaniem się w czasie pracy. Wówczas siła napięcia wstępne go: 2-T 6 0
a
F = - f - ^ (10.15) gdzie: R - kąt zarysu zęba (najczęściej 6JD°); r - średnia średnica pracy (r~(D+d)/4). Najważniejszymi warunkami wytrzymałościowymi są warunki na zginanie zę bów u podstawy i naciski jednostkowe na powierzchni zębów. Zasada obliczeń jest analogiczna jak w przypadku sprzęgieł kłowych [10]. w
10.2.4. Sprzęgła sztywne tulejowe Sprzęgła sztywne tulejowe (rys. 10.10) przekazują moment obrotowy za po średnictwem kołków (małe średnice) lub wpustów (większe średnice). Dla uła twienia obróbki i montażu stosuje się kołki nacięte.
'///////////Z7777?,
Rys. 10.10. Sprzęgła sztywne [5, 9]: a) tulejowe kolkowe poprzeczne, b) tulejowe z połączeniem wpustowym pryzmatycznym (po lewej stronie) i czółenkowym (po prawej stronie)
Sprzęgła z wpustami wymagają zabezpieczenia przed przesunięciem wzdłuż nym. Wymiary poprzeczne sprzęgła wyznacza się z warunku równej wytrzymało ści skrętnej wału i tulei. Długość tulei wynika z przeniesienia momentu przez dwa wpusty. Wymiary sprzęgła powinny zapewnić równą wytrzymałość wszystkich elementów (przy zastosowaniu jednego materiału i połączenia wpustowego). Ob liczamy je z warunku równej wytrzymałości wału i tulei: n-dj , Tc (i/„, + 2 g ) - d -k. ,6 " 16 d„. 2 ' 4
4
K
( 1 0
+
1 6 )
g
naprężenia dopuszczalne na skręcanie kolejno dla wału i tulei; gdzie: k , k , d - średnica łączonych wałów; g - grubość ścianki tulei; gdy wał wykonany jest z miękkiej stali, a tuleja z żeliwa ( T j , „ , ~ 3,5-r^dop), wówczas g « 0,3d ; w praktyce dla d < 125 m m g = (0,3...0,4)i; / = (i..A)d . Dla sprzęgieł kołkowych siłę F obciążającą kołek, przy znanych wymiarach kołków i ich własności wytrzymałościowych, można obliczyć, jak następuje: StW
s
w
w
i l i o p
w
n
_2
J,
F^-
0,5 • d
n
a
' \ •k,
(10.17)
K
Moment: 0.2 •<•/"'. -k.
(10.18)
gdzie: k k - naprężenia dopuszczalne na ścinanie dla kołka. Po podstawieniu T (z zal. (10.18) do zal. (10.17)) otrzymujemy: lf
s
0,2 -dl
•k.
=2
0,5-d
(10.19)
4
w
d>
0,5-d„yilcjk~
k
(10.20)
np. dla k , = 20 MPa i k = 80 MPa; d = 0,25d ; najczęściej d = (0,2...0,3)^,,, Poza obliczeniami kołków na ścinanie należy sprawdzić warunek na naciski powierzchniowe na styku wału i kołka (przy założeniu trójkątnego rozkładu naci sków powierzchniowych): s w
lM
k
w
k
P
nm
=72—r^/',
(10.21)
«... • « ,
oraz tulei i kołka (przy założeniu równomiernego rozkładu nacisków powierzch niowych): 1
7. Ł
(10.22)
/'l.l.U
Przy dokładnym rozpoznaniu właśc iwości kolkow (R/ , , R, cl ^, (/nu*) sprzęgło takie może spełniać funkcję sprzęgła przeciążeniowego (kołki Z karbem obrączkowym). n m
10.3.
m
Sprzęgła s a m o n a s t a w n e
Sprzęgła samonastawne umożliwiają przemieszczenia względne w a t ó w (rys. 10.11): osiowe, promieniowe, kątowe i skrętowe. Mówimy więc o sprzęgłach samonastawnych osiowych, promieniowych czy kątowych lub spełniających Wika połączonych furdcej i naraz. Przestawienia osi łączonych wałów powstają najczęściej na skutek błędów montażowych, zmian związanych ze zużyciem podzespołów i elementów maszyn oraz wpływu rozszerzalności cieplnej. Wyróżnić można sprzęgła sworzniowe, mieszkowe, kłowe, zębate, krzyżakowe (Oldhama), przegubowe synchroniczne (kulowe wg patentu z 1933 r. A. Rzeppy lub historyczne Heweliusza), przegubo we Cardana, które w układzie dwóch odpowiednio ustawionych sprzęgieł tworzy układ synchroniczny (prędkości kątowe wałów napędzającego i napędzanego są równe). b)
a)
13Ah L J
1 r Ah
Rys. 10.11. Możliwe przemieszczenia walów w sprzęgłach samonastawnych; a) promieniowe, b) osiowe, c) kątowe, d) skrętowe
10.3.1. Sprzęgła mieszkowe Mieszek w sprzęgle (rys. 10.12) jest wytworzony z cienkiej stali sprężynowej i zamocowany w piastach (stalowych lub aluminiowych). Sprzęgła są proste w budowie, nie zużywają się i mają małe masowe momenty bezwładności.
Rys. 10.12. Sprzęgło mieszkowe [5]: 1 - mieszek sprężysty, 2 - przyłącza
10.3.2. Sprzęgła sprężyste Podobnie jak w sprzęgłach mieszkowych, w sprzęgłach sprężystych wyko rzystano sprężystość elementu, w tym przypadku rozciętego układu tulei, w celu uzyskania możliwości kątowych przestawień wałów (do 1°), przesunięć osio wych i promieniowych (rys. 10.13).
Rys. 10.13. Sprzęgła sprężyste [35]
Stosowane są do łączenia wałów przekazujących niewielkie obciążenia (2+200 N m), pracujących z. prędkością do 10 000 obr/min. Montaż sprzęgła jest możliwy bez rozsuwania osi wałów dzięki nakładanym ściskanym śrubowo tule jom. Tego typu rozwiązania stosowane są w różnych rodzajach sprzęgieł. Zasto sowanie metali lekkich (stopy Al) na konstrukcję sprzęgła powoduje zmniejsze nie oddziaływania masowych momentów bezwładności sprzęgła. -
10.3.3. Sprzęgła kłowe Przeznaczone są do kompensowania przesunięć osiowych. Powierzchnie współpracujące kłów sprzęgieł są utwardzane. Stosuje się nieparzyste liczby kłów. Wyróżnić można kły proste, trapezowe (symetryczne i niesymetryczne) oraz trójkątne. Kły proste i trapezowe symetryczne stosowane są przy dwukie runkowym działaniu momentu, trójkątne i trapezowe niesymetryczne przy jed nokierunkowym momencie w celu ułatwienia włączania. Na rysunku 10.14 po kazano sprzęgło kłowe wraz z charakterystycznymi zarysami kłów i wymiarami. Podstawowymi warunkami wytrzymałościowymi w obliczeniach sprzęgła są warunki na naciski powierzchniowe oraz na zginanie u podstawy kła. Sprzęgła
kłowe wymagają ustalenia podczas montażu (np. za pomocą tulejek środkują cych (rys. 10.15)). m
1
2
3
4
5
lc,
c)
Rys. 10.14. Sprzęgło kłowe: a) budowa; b) zarysy kłów (1 - proste, 2 - trapezowe symetryczne, 3 - trapezowe niesymetryczne, 4 - trójkątne symetryczne, 5 - trójkątne niesymetryczne); c) prze krój poprzeczny kłów
Rys. 10.15. Tulejka środkująca w sprzęgle kłowym [1]
Warunek na naciski powierzchniowe przybiera postać: 2T P=
ś
z-D -A
(10.23)
Piop
ir
gdzie: A - rzut powierzchni docisku kłów w kierunku prostopadłym do siły ob wodowej A = 0,5-/r(D - d); z - liczba kłów; dla stali chromowej nawęglanej HRC ~ 60; p = 90+120 MPa przy włączaniu spoczynkowym; p - 20+60 MPa przy włączaniu w ruchu. Warunek zginania kłów u podstawy: % iop
Aop
2T,-h (10.24)
kgi
•W-z~
gdzie: h - wysokość kła; W - wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie W = (h-b )/6; b = (n-D )/(2-z); z - liczba kłów (przy dużej liczbie kłów zakłada się, że współpracuje tylko 0,75 ich liczby z). Sprzęgło kłowe charakteryzuje się prostą i zwartą konstrukcją. x
2
x
ir
Z A D A N I E 10.2. S p r z ę g ł o k ł o w e p r z e n o s i m o m e n t o b r o t o w y T = 2 0 0 , 5 5 N m s
sprzęgła s ą n a s t ę p u j ą c e : D = 7 0 m m , d=
Wymiary
50 m m , ś r e d n i c a w a ł u d„ = 3 5 m m , h = 8 m m .
Oblicz w a r t o ś ć n a c i s k ó w p o w i e r z c h n i o w y c h p, p r z y z a ł o ż e n i u , ż e z = 4 k ł y w s p r z ę g l e . Własności w y t r z y m a ł o ś c i o w e kłów:
p
iap
=
90 MPa,
kg =
200 MPa.
R o z w i ą z a n i e : S p r a w d z a m y kły n a naciski p o w i e r z c h n i o w e : 2T p =
s
z-D -A
=
ir
S p r a w d z a m y kły na zginanie a
= g
2-T„-h 2
»f
(b = (n-D )/(2z) ir
2-T -h 5
=
D- -W - z
2 ' 2 0 0 550 - = 20,9 M P a < 9 0 M P a 4-60-8-10
D +d
a
— r — = h-b 2
*
= 23,6 m m ) :
2-200 550-8
= lOMPa < 200MPa
60-740,2-4
z 2
6
Warunki zostały spełnione.
10.3.4. Sprzęgła zębate Sprzęgła tego typu stosowane są do przenoszenia dużych momentów obroto wych przy dużych prędkościach. Umożliwiają wzdłużną, promieniową i kątową kompensację osi wałów. Uniwersalny charakter kompensacji wynika ze stosowa nia specjalnych kształtów zębów (często zęby są beczułkowe). Obecnie często sprzęgła zębate wykonywane są z tworzyw sztucznych. Obecność w sprzęgle ta kich materiałów (zarówno na koła zębate, jak i na tuleje) zapewnia zwiększenie podatności sprzęgła oraz cichobieżność. Mogą one pracować w układzie dwóch połączonych sprzęgieł (rys. 10.16).
Rys. 10.16. Sprzęgło zębate - możliwości nastawcze sprzęgła (kątowe i promieniowe) [4]
Charakter pracy przy sprzęgle z dwoma wieńcami zębatymi jest podobny jak w przypadku sprzęgieł Cardana. Unika się wówczas pracy niesynchronicznej. Na poprawność pracy sprzęgła zębatego wywiera wpływ dokładność montażu oraz przebieg momentu obrotowego w czasie eksploatacji. Sprzęgła zębate mogą być włączane, jednak tylko podczas postoju lub przy małej względnej prędkości obro towej . Zęby o zarysie ewolwentowym w celu ułatwienia włączania są zukosowane lub zaokrąglone. Zęby beczułkowe (rys. 10.17a) zapewniają korzystniejszy roz kład nacisków na powierzchniach bocznych w czasie pracy przy przestawieniach kątowych osi wałów niż zęby proste (rys. 10.17b).
Rys. 10.17. Kształty zębów w sprzęgłach zębatych; a) beczułkowe, b) proste
Obliczenia sprzęgieł przeprowadza się analogicznie jak w przypadku sprzę gieł kłowych (na zginanie i naciski powierzchniowe). Sprzęgła tego typu stoso wane są w ręcznych przekładniach samochodowych z tzw. synchronizatorami (patrz sprzęgła włączalne). 10.3.5, Sprzęgła krzyżakowe O l d h a m a Sprzęgło składa się z dwóch elementów osadzanych na wałach i z łącznika (rys. 10.18). Sprzęgła umożliwiają kompensację poprzeczną i kątową (sprzęgła z wkładkami z tworzyw sztucznych).
Rys. 10.18. Sprzęgło Oldhama [9, 19]
Maksymalne wartości przesunięć i odchyleń kątowych są możliwe, gdy stosuje się tarczę z kłami o zarysie ewolwentowym. Sprzęgła krzyżakowe umożliwiają przenoszenie momentów obrotowych tylko przy niewielkich prędkościach obro towych. Promieniowe przesunięcie wzajemne wałów wpływa na przemieszczenia tarczy łączącej. Występujące podczas pracy tarcie pomiędzy elementami sprzęgła powoduje straty energii i konieczność smarowania. Zmniejszenie tarcia oraz zwiększenie dopuszczalnej prędkości obrotowej możliwe jest przez zastosowanie
łącznika wykonanego z tworzywa sztucznego. Podstawowym warunkiem oblicze niowym jest warunek na naciski powierzchniowe. Przy założeniu rozkładu trape zowego naciski wynoszą:
n-T
u
P
t
m
~
Pd0
hi2D
( 1
d)-(D-d)- >
+
°-
2 5 )
gdzie: d - średnica czopa (d = 25+250 mm); D - średnica zewnętrzna tarczy (D/d ~ 2,5...3); h - czynna wysokość wpustu (h/d = 0,3...0,45); /? - dopusz czalne naciski powierzchniowe; p = 3+30 MPa dla stali nieutwardzonej lub żeliwa; p = 2+10 MPa dla brązu; mniejsze wartości p przyjmuje się dla małych wymiarów sprzęgła, ciężkich warunków pracy lub złego smarowania. ltop
iop
dop
Aop
10.3.6. Sprzęgła C a r d a n a - kątowe Pierwowzorem sprzęgła Cardana jest przegub krzyżakowy Geronima Cardana (1557 r.). Przeguby Cardana umożliwiają łączenie wałów o dużych kątach wza jemnego położenia osi (o. < 45°). Głównym elementem sprzęgła jest krzyż, z którym połączone są po dwa naprzeciwległe ramiona połączone z czopami wa łów (rys. 10.19).
Rys. 10.19. Zdwojony układ sprzęgieł Cardana [5J: a) położenia wałów potrzebne do uzyskania prędkości synchronicznej na wyjściu, b) budowa sprzęgła: 1 , 3 - mocowania, 2 - wal teleskopo wy, c) różne rozwiązania konstrukcyjne sprzęgła: 1 , 3 - widełki, 2 - krzyżak, 4 - czop
Przeguby Cardana są asynchroniczne. Przy dużych prędkościach obrotowych i dużych masach wirujących zjawisko asynchronicznego obracania się wałów może powodować powstanie dużych nadwyżek dynamicznych w maszynie. Sto sunek prędkości kątowej wału napędzanego co i wału napędzającego co\\ 2
co-2 co,
2
_
l-smVsm a cos a
^
gdzie: a - kąt między osiami wałów; ę - kąt obrotu wału napędzającego, liczony od początku położenia, przy którym oś krzyża jest prostopadła do płaszczyzny, w której leżą łączone wały. Graniczne wartości stosunku prędkości kątowych co /co , łączonych wałów są następujące (rys. 10.20): 2
(a>2/ftb)max • (co /co\) 2
=
l/cos a przy a = 0; it; 2%;...
= cos a
min
t
przy a = 0,5 jt; 1,5TC; ... 2
Przy co\ = const stosunek co2mJco ~ cos «. Nierównomierność obrotu wału 2 przy o)i = const można scharakteryzować współczynnikiem nierównomiemości 2mm
K„ = oj lco = 0,5 • ( c o i , u > x - co )lco = 0,5 o i , • sin a • tg a (10.27) gdzie: co - amplituda zmian co ; co „a ~ średnie co , którego wartość silnie wzra sta ze zwiększeniem kąta a. a2
m2
2mm
2
a2
x
a
0
45
90
135
2
160
Rys. 10.20. Asynchroniczna praca sprzęgła [14]
Uzyskanie ponownie prędkości synchronicznej wału napędzanego jest możliwe przy zdwojeniu układu przegubów i zapewnieniu równych kątów a przy obu prze gubach (rys. 10.19a) oraz ustawieniu widełek wału pośredniego w jednej płasz czyźnie. Pozostaną jednak wahania prędkości kątowej wału pośredniczącego, którego masowy moment bezwładności 9 powinien być możliwie mały ze wzglę du na dodatkowy moment dynamiczny (T =Q-e). d
10.3.7. Sprzęgła synchroniczne W przegubie równobieżnym (synchronicznym, homokinetycznym) moment obrotowy przenoszą kulki prowadzone w bieżniach kulistych główki wału i obudowy (rys. 10.21 i 10.22). Możliwa jest kątowa i długościowa kompensacja przestawienia walów. Przeguby synchroniczne są stosowane w półosiach napędo-
wych pojazdów z zachowaniem równobieżności (synchroniczności) ruchu obro towego. Istnieje kilka typów przegubów (kulowych, trójramiennych). Budowa sprzęgła oparta jest na historycznym przegubie kulowym Carla Weissa (US-Pat. 1522 351 z 1923 r.) oraz Alfreda Rzeppy (US-Pat. 1665280 z 1933 r.) (rys. 10.21).
Rys. 10.21. Przeguby synchroniczne: a) C. Weissa, b) A. Rzeppy
Przegub trójramienny ustalony (bez kompensacji wzdłużnej) ma prostą budo wę i możliwość uzyskania kąta załamania łączonych wałów a < 45°. Przegub kulowy ustalony ma bardziej złożoną konstrukcję, umożliwiającą jednak uzyska nie większego kąta załamania osi (do 50°) (rys. 10.22). Przeguby synchroniczne stosowane są w motoryzacji.
Rys. 10.22. Typowe rozwiązania techniczne przegubów synchronicznych [26]: a) trójramienny ustalony, b) kulowy ustalony
10.4. Sprzęgła p o d a t n e \ Istnieje bardzo duża różnorodność sprzęgieł podatnych. Sprzęgła te są wyposa żone, zgodnie z nazewnictwem, w podatny łącznik wykonany z metalu, gumy, podatnego tworzywa sztucznego czy kompozytu, zapewniający łączonym wałom możliwość względnego przestawienia - jak w sprzęgłach samonastawnych. { Sprzęgła tego typu zapewniają również [4]:
•
ochronę układu napędowego przed niepożądanymi drganiami rezonansowy mi; sprzęgło jako sprężyste ogniwo napędu zmienia częstość drgań własnych układu; • redukcję uderzeń skrętnych w wyniku działania pracy mechanicznej zmaga zynowanej w sprężystych ogniwach, która jest tracona w wyniku tarcia we wnętrznego lub zewnętrznego; • połączenia wałów z zapewnieniem małych sił reakcji przy przestawionych osiach. Funkcje te mogą być spełnione dzięki specjalnym elementom sprężystym. Guma należy do mediów, które spełniają zarówno prawo Hooke'a, jak i prawo Newtona w cieczach zgodnie z teorią liniowej lepkosprężystości. W tych sprzę głach obok zazwyczaj rozpatrywanych wielkości sprzęgła (przenoszony moment obrotowy, maksymalna prędkość obrotowa, masowy moment bezwładności, masa itd.) szczególne znaczenie mają charakterystyka skrętna (moment obrotowy - kąt skręcenia) i właściwości tłumiące. Sztywność T" W sprzęgłach łączniki mają najczęściej charakterystyki liniowe (łączniki meta lowe) i progresywne (łączniki wykonane z tworzywa sztucznego i gumy). Częściej w tej grupie sprzęgieł wykorzystywana jest charakterystyka progresywna. Kształ towanie charakterystyk sprzęgła z łącznikami metalowymi przedstawiono na rys. 10.23. a ) ^ _ ^
b)+++
c ) ^ _ ^
d)
e ) ^ _ ^
część napędzana
część napędzająca
WM% T
Rys. i0.23. Charakterystyki sprzęgieł podatnych: a) liniowa, b) odcinkami liniowa, c) progresyw na, d) liniowa z ograniczeniem, e) z luzem ^
Sztywność skrętną c sprzęgła określa się jako stosunek dT/dę. Sprężyste wła ściwości podatnych sprzęgieł z elementami z elastomerów są zależne od często tliwości obciążenia, tak że pomiędzy statyczną sztywnością skrętną c i dyna miczną Q y n istnieją znaczne różnice ( c / c > 1). Ta uwaga jest o tyle istotna, że w większości tych sprzęgieł występują okresowe zmiany momentu obrotowego o częstotliwości większej niż 0,1 Hz, czyli obciążenia mają charakter dynamiczny. s5tat
d
jdyi
retat
Metalowe materiały łączników mają postać taśm, pakietów sprężyn śrubo wych, a łączniki niemetalowe występują w postaci bloków o zróżnicowanym kształcie (rys. 10.24).
Rys. 10.24. Zmienność postaci łączników [9]: a) metalowych, b) z tworzywa sztucznego
Tłumienie Dobór dynamicznej charakterystyki dla każdego rodzaju sprzęgła jest zazwy czaj ustalony doświadczalnie i zależy od częstotliwości obciążenia. Sztywność skrętna sprężyn gumowych rozpatrywanych sprzęgieł jest silnie zależna od tempe ratury (szczególnie w ujemnej temperaturze sprzęgło przy rozruchu może działać jak sprzęgło sztywne). Przy niemetalowych elementach sprężystych tłumienie jest przede wszystkim wywołane tarciem wewnętrznym, a przy metalowych elemen tach sprężystych tarciem zewnętrznym. Za pomocą wielu metod na drodze eksperymentalnej można obliczyć wartość tłumienia sprzęgła. W tych eksperymentalnych metodach do uzyskania tłumienia wykorzystuje się pętle histerezy (tys. 10.25a). Współczynnik tłumienia y/ jest de finiowany jako stosunek pracy AW przekształconej na ciepło w jednym cyklu obciążenia do maksymalnej pracy odkształcenia W. Tłumienie można wyznaczyć także na podstawie badań krzywej wybiegu sprzęgła (rys. 10.25b). Uzyskany wówczas dekrement logarytmiczny drgań: A = \x\(ę /(p + 1) pozostaje w zależno ści od wspomnianego wcześniej współczynnika tłumienia y/{y/~ 2A). Straty mocy w postaci wydzielającego się ciepła powstają przede wszystkim w sprzęgłach z łącznikami z tworzywa sztucznego na skutek pracy sprężystej ma teriału lub w pakietach metalowych sprężyn na skutek wzajemnego tarcia elemen tów pakietu. k
k
a)
b)
V
Rys. 10.25. Określenie współczynnika tłumienia y [5]: a) za pomocą pracy W, b) na podstawie krzywej wybiegu
Straty mocy mogą również wystąpić na skutek działania obciążenia rosnącego i malejącego wokół średniej wartości momentu obrotowego. Charaktetystyki łącz ników sprzęgieł przedstawiono na rys. 10.26.
b)
charakterystyka przy obniżonej temperaturze
charakterystyka dynamiczna przy obciążaniu / J progresywna charakterysty ka dynamiczna przy odcią żaniu
Charakterystyka statyczna lub po starzeniu elastomeru lub przy oddziaływaniach cieplnych
Rys. 10.26. Charakterystyki łączników sprężystych: a) bez tłumienia, b) z tłumieniem (pętla lusterezy)
Przy niewłaściwym doborze charakterystyki sprzęgła może ono powodować powstawanie rezonansu. Sprzęgło elastyczne redukuje krytyczną prędkość obro tową w wyniku zrnniejszenia sztywności c i zmniejsza amplitudy rezonansowe w wyniku tłumienia. z
10.4.1. Drgania skrętne sprzęgła Znając masowe momenty bezwładności 0 , (strony napędzającej czynnej, np. wirnika silnika) i 0
2
(strony napędzanej biernej - urządzenie wykonawcze, np.
reduktor z wciągnikiem linowym), można w prosty sposób analizować drgania skrętne i charakterystykę napędu (rys. 10.27). a)
rezonans ze sprzęgiem
rezonans bez sprzęgła eła-
elastycznym
stycznego
teoretyczna charakterystyka obciążenia
"prędkość obrotowa n
zakres roboczy An
rozruch
Rys. 10.27. Zmiana częstości drgań własnych w układzie napędowym ze sprzęgłem (a) oraz sztyw ności skrętne (b); c - sztywność skrętną sprzęgła, c \ - sztywność skrętna wału silnika, c„ - sztyw ność skrętna układu wykonawczego za sprzęgłem, c. - sztywność zastępcza s
w
2
W powyższych rozważaniach masowy moment bezwładności sprzęgła został uwzględniony przez powiększenie momentu strony czynnej i biernej o momenty biernej i czynnej części sprzęgła. Moment bezwładności sprzęgła nie występuje więc jako oddzielny człon w obliczeniach. Zastępczą sztywność c i zastępczy masowy moment bezwładności 0 ; z
z
-L-J_+_L _L C
C
i
s
C
wl
+
(10.28)
c
w2
_ L - _ L _L ez ~ e, ©7
(10.29)
Częstość drgań własnych co jest znacznie mniejsza dla układu ze sprzęgłem z uwagi na mniejszą sztywność c wspomnianego układu: z
z
=
^ ki^r
(10 30)
'
Podczas rozruchu lub podczas chwilowego zwiększenia momentu obrotowego na sprzęgło zostaje przekazany sygnał wejściowy uderzeniowy. W zależności od sztywności sprzęgła charakterystyka wyjściowa za sprzęgłem może się zmieniać (rys. 10.28).
wejście (uderzenia momentu)
wyjscte (odpowiedź momentu)
b)
J
gy
T j^J
/
=
0
sprzęgła sztywne
Rys. 10.28. Efekt tłumienia i przebieg momentu obrotowego w sprzęgle: a) podatnym, b) sztyw nym
Wielkości odpowiedzi momentu na impuls momentu są zależne od zastosowa nego łącznika (jego charakterystyki statycznej i dynamicznej). 10.4.2. Sprzęgła z metalowymi elementami podatnymi Przy zastosowaniu metalowych elementów podatnych sprzęgła mają najczę ściej niewielkie wymiary, a ich charakterystyki są liniowe lub. nieliniowe, najczę ściej progresywne. Elementy sprężyste metalowe najczęściej poddawane są naprę żeniom zginającym, rzadziej skręcaniu. Pakiety lub pojedyncze sprężyny mogą być umieszczane w kierunkach wzdłużnym (rys. 10.29, 10.30c), promieniowym (rys. 10.30a) lub obwodowo (rys. 10.30b) względem osi wałów.
Rys. 10.29. Sprzęgło ze sprężynami wężykowymi [19]
a)
b)
c)
Rys. 10.30. Przykłady innych sprzęgieł z metalowymi elementami podatnymi: a) ze sprężynami promieniowymi, b) ze sprężynami śrubowymi ściskowymi umieszczonymi obwodowo, c) ze sprężynami łuskowymi
Przy osiągnięciu maksymalnego zakładanego momentu skręcającego sprężyny ulegają zblokowaniu, a sprzęgło staje się sztywne. W przypadku sprzęgieł z meta lowymi elementami podatnymi podstawowe obliczenia prowadzi się dla elemen tów sprężystych zgodnie z zasadami obliczeń sprężyn. 10.4.3. Sprzęgła z elementami podatnymi z tworzywa sztucznego Sprzęgła z elementami sprężystymi wykonanymi z tworzywa sztucznego cha rakteryzują się najczęściej większą podatnością oraz histerezą. Charakterystyki sprzęgieł są nieliniowe i zależne od temperatury. Temperatura robocza sprzęgieł z łącznikami z tworzywa sztucznego najczęściej waha się w granicach od - 4 0 do +100°C (dla łączników podatnych wykonanych z poliamidu czy poliuretanu). Elementy podatne są umieszczane pomiędzy tarczami sprzęgłowymi. Podatny element z tworzywa sztywnego zapewnia również oddzielenie elektryczne czło nów czynnego i biernego sprzęgła. Stosuje się wkładki lub pakiety wkładek o różnym kształcie. Często w sprzę głach kłowych są to elementy zintegrowane w jeden człon, prostszy do wykonania i montażu. Czasem łączniki wykazują różną podatność w jednej typowielkości sprzęgła, co pozwala kształtować charakterystyki sprzęgła. Element podatny może być łączony z tarczami sprzęgła: kształtowo, przez zawulkanizowanie z elemen tami metalowymi, za pomocą elementów złącznych, najczęściej śrubowych, lub kształtowo z tarczami, np. pomiędzy sąsiednimi tarczami sprzęgła o kłach z po wierzchniami roboczymi wklęsłymi. Z dociśnięciem lub wulkanizowaniem spoty kamy się w sprzęgłach kabłąkowych, oponowych czy przeponowych. W sprzęgłach podatnych z łącznikami z tworzywa sztucznego obliczeniom wy trzymałościowym poddaje się elementy podatne (podobnie jak w sprzęgłach z metalowymi łącznikami podatnymi). Oblicza się minimalną wymaganą po wierzchnię styku łącznika z tarczą sprzęgłową w miejscu występowania maksy malnych sił z warunku na naciski powierzchniowe.
W sprzęgłach palcowych wkładkowych (rys. 10.31) elastyczne łączniki obli czamy z warunku na naciski powierzchniowe: 2•T (10.31) D -z-d -l 0
o
a sworznie z warunku na zginanie: 32-F-L (10.32)
k
T* *
z-n-d.. gdzie: D - średnica rozstawu sworzni; z - liczba sworzni; d - średnica sworz nia; / - długość połączenia sworznia z tuleją gumową; d - dopuszczalne naci ski powierzchniowe (dla gumy przy zmiennym obciążeniu i napędzie rewersyjnym p = 1,4 MPa, przy napędzie jednokierunkowym / ? = 2 MPa); U - obli czeniowa długość sworznia na zginanie. 0
a
P
iop
0p
dop
Rys. 10.31. Sprzęgło palcowe wkładkowe (charakterystyczne wymiary obliczeniowe)
Obecnie sprzęgła tulejowe palcowe są wypierane przez sprzęgła z wkładkami elastycznymi. Sprzęgła charakteryzują się mniejszymi wymiarami, a przez to mniejszym, generowanym podczas ruchu momentem bezwładności (zmniejszenie efektu koła zamachowego) i stosunkowo dużym przenoszonym momentem obro towym. Umożliwiają jednocześnie przemieszczenia względne wałów: osiowe, promieniowe, kątowe (do 5°). Powierzchnie robocze podatnych łączników mogą mieć zarysy proste, kołowe lub ewolwentowe. Elementy podatne ułożone są osio wo, promieniowo lub obwodowo względem kierunku osi wałów (rys. 10.32). Do łączenia urządzeń na odległości do kilku metrów (do 5+8 m) stosuje się sprzęgła podatne z łącznikiem w postaci tulei wykonanej z metali, tworzyw sztucznych lub kompozytów. Stosowanie na tuleje pośredniczące kompozytów czy tworzyw sztucznych umożliwia znaczne zmniejszenie masowego momentu bezwładności.
a)
b)
Rys. 10.32. Kształt i układ wkładek elastycznych sprzęgła [35]: a) promieniowe, b) obwodowe
Wysoko podatne sprzęgło (rys. 10.33) typu przegubowo-dźwigniowego z po datnymi gumowymi sferycznymi tulejkami charakteryzuje się ponadto [21]: • napięciem wstępnym przegubów zabezpieczającym przed ich zużywaniem, • homokinetycznym przenoszeniem obciążenia, jednocześnie umożliwiającym duże przemieszczenia osiowe, promieniowe i kątowe, • cichobieżnością (wysokie tłumienie), bezluzowośctą (sztywne skrętnie), bezobsługowością, brakiem zużycia, •