3. Połączenia

Studia Inżynierskie Dzienne (I stopnia) Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej

Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych

Wykład – sem. 3, rok akad. 2017/2018

• Wprowadzenie • Elementy sprężynujące • Prowadnice liniowe (d) • Połączenia

Opracował: dr inż. Wiesław Mościcki

Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Zakład Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych

Tarcie i jego skutki

1. Tarcie PKUP - W. Mościcki

Tylko studia dzienne

Pojęcia podstawowe

Nieodłącznym zjawiskiem towarzyszącym stykowi dwóch dociśniętych do siebie ciał jest tarcie.

Występuje ono wtedy, gdy ciała są względem siebie w ruchu jak i wtedy gdy pozostają w spoczynku – tarcie rozwinięte i tarcie nierozwinięte.

W pierwszym przypadku pojawia się także zużycie elementów współpracujących.

Nauka zajmująca się zjawiskiem tarcia i zużycia materiałów to – trybologia

(tribo – pocieram oraz logos – nauka).


Korzystne skutki tarcia

Dzięki istnieniu tarcia możliwy jest ruch: chodzenie, ruch pojazdów kołowych, jazda na nartach, łyżwach, sankach, itp.


Przykłady wykorzystania tarcia w technice

a) hamulce i sprzęgła cierne, zaciski, itp.

Sprzęgło Hamulec

Zacisk

P P


Przykłady wykorzystania tarcia w technice

b) zjawisko samohamowności – występuje w połączeniach gwintowych, w napędach śrubowych, w przekładni zębatej ślimakowej;


Niekorzystne skutki tarcia

a) opory ruchu Jest to dodatkowe obciążenie mechanizmu, które trzeba pokonać tak podczas rozruchu, jak i przy normalnej pracy urządzenia, gdy człon wyjściowy wykonuje np. ruch z zadaną roboczą prędkością.

b) straty energetyczne Na pokonanie oporów ruchu niezbędne jest dostarczenie dodatkowej energii, która jest właściwie energią traconą.

c) wydzielanie ciepła Praca sił tarcia zamieniana jest na ciepło, którego wydzielanie może wywołać potrzebę chłodzenia mechanizmu.

d) zużycie elementów Tarcie, w połączeniu z grzaniem się elementów, powoduje przyspieszone zużycie. Zmusza to do stosowania lepszych, czyli droższych, materiałów a także niekiedy wymusza stosowanie kosztownych układów chłodzenia.


Tarcie spoczynkowe i kinetyczne

F F

T T spoczynek ruch tarcie spoczynkowe tarcie podczas ruchu (kinetyczne)

Tarcie jest efektem styku dociśniętych powierzchni


ślizgowe wiertne toczne

N T

Tarcie ruchowe

(kinetyczne) Podczas ruchu występuje tarcie kinetyczne.

Istota tarcia wiertnego

Jest to odmiana tarcia ślizgowego pojawiająca się w ruchu wiertnym.

Ruch wiertny to taki ruch obrotowy, w którym punkty tego samego ciała mają różną prędkość poślizgu, zależną od swego położenia względem osi obrotu.


Prawa tarcia. Współczynnik tarcia

Parametrem, który w sposób ilościowy opisuje zjawisko tarcia jest współczynnik tarcia - . W zależności od rodzaju ruchu współpracujących elementów rozróżniamy: - współczynnik tarcia ślizgowego - , - współczynnik tarcia wiertnego - w.

- obliczeniowy współczynnik tarcia (tocznego) – obl


I prawo tarcia (Amontonsa): wartość siły tarcia jest proporcjonalna do wartości siły normalnej (1699);

II prawo tarcia (Amontonsa): tarcie nie zależy od wielkości powierzchni stykających się ciał;

III prawo tarcia (Coulomba): tarcie kinetyczne nie zależy od prędkości ślizgania.

Współczynnik tarcia ślizgowego i tocznego

Współczynnik tarcia ślizgowego - to iloraz siły tarcia - T oraz siły docisku elementów - N:

N

T


Obliczeniowy współczynnik tarcia tocznego – obl – jest wyznaczany doświadczalnie w taki sam sposób jak dla łożysk ślizgowych. Dlatego jego wartość może być porównywana ze współczynnikiem tarcia ślizgowego. Do ilościowego opisu tarcia tocznego używa się powszechnie współczynnika tarcia tocznego – f. Jest to wielkość mianowana, wyrażona w milimetrach, a jej definicja zostanie podana w dalszej części wykładu.

Parametry pracy węzła ciernego

Cel wprowadzenia środka smarnego do węzła ciernego: - zmniejszenie tarcia i zużycia części, - ochrona części przed korozją, - odprowadzanie wytworzonego ciepła, - tłumienie drgań i hałasu


Warunki pracy węzła ciernego określone są przez następujące wielkości:

- prędkość poślizgu - v [mm/s] ,

- naciski obliczeniowe – pobl [MPa], czyli obciążenie przypadające na jednostkę powierzchni,

- lepkość - , czyli właściwości środka smarnego (np. oleju)

Węzeł cierny: 1 - panewka (tulejka), 2 - środek smarny, 3 - czop

Tarcie ślizgowe


Klasyfikacja tarcia ze względu na charakter styku (1)

W zależności od tego czy i w jaki sposób współpracujące powierzchnie stykają się ze sobą (bezpośrednio czy oddzielone warstwą środka smarnego) rozróżniamy następujące rodzaje tarcia:

- tarcie technicznie suche, - tarcie graniczne, - tarcie mieszane, - tarcie płynne.


Tarcie technicznie suche (2)

Nierówności powierzchni stykają się bezpośrednio, brak między nimi warstewki filmu olejowego. Środkiem smarnym jest para wodna oraz zanieczyszczenia występujące w środowisku pracy.

Tarcie technicznie suche występuje wtedy, gdy prędkość poślizgu v 0.

Minimalna wartość współczynnika tarcia jest zwykle większa od 0,1.


Tarcie graniczne (3)

Występuje cienka warstewka środka smarnego pokrywająca nierówności powierzchni, która:

- ma grubość kilkudziesięciu molekuł, tj. nie więcej niż 0,5 m,

- ma zdolność do trwałego przyczepienia się do powierzchni trących ciał stałych,

- powoduje trwałe oddzielenie ich od siebie.

Taką warstwę nazywamy warstwą graniczną zaś tarcie między dwiema takimi warstwami nazywa się tarciem granicznym.


Tarcie graniczne (4)

warstwa graniczna

1. Tarcie

Warunki sprzyjające do tego, aby pojawiło się tarcie graniczne mogą zaistnieć wtedy, gdy prędkość poślizgu jest bardzo mała, a więc między innymi w następujących przypadkach: - podczas wprawiania czopa w ruch obrotowy, - w czasie zatrzymywania czopa łożyskowego, - przy zmianie kierunku obrotów czopa,

PKUP - W. Mościcki


Tarcie płynne (5)

Obszary współpracy ciał stałych są trwale rozdzielone warstwą smaru, a bezpośrednie tarcie elementów jest zastąpione tarciem wewnętrznym cząsteczek w smarze. Mamy tu do czynienia z tarciem hydrodynamicznym.

W warunkach tarcia płynnego występuje: - zmniejszenie oporów ruchu, - mniejsze zużywanie się elementów, - lepsze tłumienie drgań, - większa intensywność odprowadzania ciepła oraz produktów zużycia, - skuteczniejsze przeciwdziałanie korozji.

Współczynnik tarcia przyjmuje wartości w granicach od około 0,005 do 0,08.

Tarcie mieszane (6)


Między obszarami styku metalicznego istnieją połączone między sobą mikrostrefy, które są wypełnione substancją smarującą (powietrze, olej) oraz produktami zużycia.

Podczas przemieszczania współpracujących powierzchni kształt i objętość tych mikrostref zmienia się, wskutek czego powstają elementarne mikrokliny hydrodynamiczne.

Oddziaływanie mikroklinów sumuje się i wywołuje lokalne unoszenie jednej powierzchni nad drugą.

Tarcie mieszane (7)

W takich warunkach obciążenie poprzeczne łożyska jest równoważone jednocześnie przez

- mikroobszary bezpośredniego styku, - mikrokliny cieczy smarującej.

Zdecydowana większość miniaturowych łożysk ślizgowych występujących w przyrządach pomiarowych oraz precyzyjnych pracuje w warunkach sprzyjających do wystąpienia tarcia mieszanego.

Minimalne wartości współczynnika tarcia w takich warunkach pracy leżą w granicach od około 0,02 do 0,08.


Prowadnice

2. Prowadnice liniowe PKUP - W. Mościcki

Prowadnice

2. Prowadnice liniowe

Prowadnica to zespół elementów, współpracujących ze sobą, które umożliwiają zmianę położenia członu prowadzonego względem prowadzącego w określonym kierunku – zwykle jest to ruch liniowy.

Klasyfikacja prowadnic:

• w zależności od rodzaju tarcia między elementami rozróżniamy prowadnice: ślizgowe lub toczne.

• w zależności od kształtu powierzchni prowadzących prowadnice mogą być: walcowe lub pryzmatyczne.

PKUP - W. Mościcki

Prowadnice ślizgowe


Prowadnice walcowe przypadek gdy e < egr


W tym przypadku występuje styk wałka z korpusem prowadnicy wzdłuż tworzącej, po jednej stronie otworu

PKUP - W. Mościcki


Siła użyteczna Pu jest równa:

QPPu

P

QP

P

Pu

P

Q1

Sprawność prowadnicy, gdy e < egr :

PKUP - W. Mościcki

Prowadnice walcowe przypadek gdy e < egr

Prowadnice walcowe przypadek gdy e = egr


Styk w punkcie A ustanie, gdy siła normalna w tym punkcie będzie równa zeru, czyli N1 = 0.

Wtedy ramię siły P, wymuszającej ruch prowadnicy, będzie miało długość graniczną, czyli będzie równe e = egr .

2

dx

P

Qegr

PKUP - W. Mościcki

Prowadnice walcowe przypadek, gdy e > egr


P'PTT u21

QNN 12

su2s e'P)lx(Q)ee(P

- rzuty sił na kierunki równoległy i prostopadły do osi prowadnicy:

- równanie momentów względem punktu S:



2

les

2

dlx

P

Qee smin

Zakleszczenie prowadnicy wystąpi wtedy, gdy niemożliwy będzie przesuw pręta, czyli gdy siła użyteczna ma wartość zerową, P’u = 0. Wtedy ramię działania siły P będzie równe emin

przy czym odległość punktu S od osi prowadnicy jest równa:



min

u

e

e1

P

'P

Sprawność prowadnicy, w tym przypadku, jest wyrażona zależnością:

Przy jej wyznaczeniu korzystamy z warunku równowagi dla tego przypadku:

PP'P Du 0eePe'P minDu

gdzie: PD – siła pokonująca opory ruchu prowadnicy

Prowadnice walcowe Siła P przecina oś prowadnicy


Prowadnice liniowe toczne

2. Prowadnice liniowe PKUP - W. Mościcki w6





Koniec części tylko dla studiów dziennych


Połączenia

PKUP - W. Mościcki 3. Połączenia

Połączenie jest to takie skojarzenie elementów, najczęściej dwóch lub trzech, które zapewnia unieruchomienia ich względem siebie.

Połączenie umożliwia: - przeniesienie ruchu, siły, momentu, - przewodzenie prądu elektrycznego, - przepływ cieczy lub gazu, - przebieg światła. Każde z tych połączeń zbudowane jest z elementów mechanicznych.


Połączenia - definicja

Klasyfikacja połączeń


PO

ŁĄ

CZ

EN

IA Mechaniczne

Elektryczne

Pneumatyczne Rozłączne

Nierozłączne

Hydrauliczne

Optyczne

3. Połączenia

Połączenia rozłączne

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia rozłączne

Gwintowe Kołkowe

Wpustowe

Bagnetowe Wtłaczane

PKUP - W. Mościcki

Klasyfikacja

3. Połączenia

Połączenia gwintowe

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zasada powstawania linii śrubowej

PKUP - W. Mościcki

- kąt pochylenia linii śrubowej, P – skok linii śrubowej, d – średnica walca

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zarysy gwintu – gwint trójkątny

Trójkątny

Zastosowanie: połączenia gwintowe ogólnego przeznaczenia, znormalizowane elementy złączne (śruby, wkręty, nakrętki).

W przyrządach precyzyjnych i drobnych często stosuje się gwint metryczny drobnozwojny. Jego skok jest mniejszy niż gwintu metrycznego normalnego.

PKUP - W. Mościcki

- duża wytrzymałość, - odporny na luzowanie - zarys gwintu metrycznego

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zarysy gwintu – gwint prostokątny i trapezowy

Prostokątny Trudny do wykonania

Zastosowanie: połączenia gwintowe oraz napędy śrubowe przenoszące duże obciążenia (prasy, podnośniki, mechanizmy przesuwu w obrabiarkach)

Trapezowy symetryczny niesymetryczny

Obciążenie Obciążenie dwukierunkowe jednokierunkowe

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zarysy gwintu – gwint okrągły (calowy)

Zastosowanie: elementy cienkościenne z tłoczonym gwintem (oprawki i cokoły żarówek), połączenia pracujące w atmosferze o dużym zanieczyszczeniu (kurz, piasek), połączenia narażone na zmienne obciążenia dynamiczne (np. w dużych urządzeniach: złącza wagonów kolejowych).

Okrągły (calowy)

PKUP - W. Mościcki

Gwint Edisona, np. E10, E27

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zarysy gwintu – gwint rurowy walcowy (calowy)

Zastosowanie: połączenia gwintowe przewodów rurowych (instalacje wodne i gazowe).

Podobny zarys ma gwint calowy rurowy stożkowy – stosowany do szczelnego łączenia przewodów bez dodatkowych materiałów uszczelniających.

Rurowy walcowy (calowy)

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


Odlewanie Skrawanie Tłoczenie

Toczenie

Gwintownik (narzynka)

Frezowanie

Szlifowanie

Nawalcowanie

Spęczanie

Odlewanie

ciśnieniowe

METODY OBRÓBKI GWINTÓW

na zimno

na gorąco

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

gwintowniki

narzynki

PKUP - W. Mościcki


3. Połączenia

Połączenia gwintowe Podstawowe parametry gwintu

P – podziałka gwintu (odległość sąsiednich zarysów mierzona wzdłuż osi gwintu), - kąt zarysu, - kąt pochylenia linii śrubowej na średniej średnicy gwintu

d (D) – średnica gwintu (znamionowa, nominalna), d2 (D2) – średnia średnica gwintu, d3– średnica rdzenia gwintu, D1(o) – średnica otworu gwintu wewnętrznego

Ph – skok gwintu (przesunięcie zarysu zwoju wzdłuż osi po pełnym jego obrocie) , przy czym Ph = ZP, gdzie Z – krotność gwintu

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Parametry geometryczne gwintu trójkątnego - metrycznego

D – średnica zewnętrzna nominalna gwintu wewnętrznego,

D1 - średnica wewnętrzna nominalna gwintu wewnętrznego (średnica otworu),

D2 - średnica podziałowa (średnia) nominalna gwintu wewnętrznego

d – średnica zewnętrzna nominalna gwintu zewnętrznego,

d1 - średnica wewnętrzna nominalna gwintu zewnętrznego,

d2 - średnica podziałowa (średnia) nominalna gwintu zewnętrznego,

d3 - średnica wewnętrzna gwintu zewnętrznego (średnica rdzenia)

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Parametry geometryczne gwintu trójkątnego - metrycznego

PN-ISO 68:2000. Gwinty ISO ogólnego przeznaczenia. Zarys nominalny. Gwinty metryczne.

PN-ISO 724:1995. Gwinty metryczne ISO ogólnego przeznaczenia. Wymiary nominalne.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Parametry geometryczne gwintów o innych zarysach

PN-ISO 68-2:2000. Gwinty ISO ogólnego przeznaczenia. Zarys nominalny. Gwinty calowe. PN-ISO 725:1997. Gwinty calowe ISO. Wymiary nominalne.

PN-ISO 2901:1995. Gwinty trapezowe metryczne ISO. Zarys nominalny i zarys maksimum materiału. PN-ISO 2904+A:1996. Gwinty trapezowe metryczne ISO. Wymiary nominalne.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Gwint prawoskrętny i lewoskrętny

Prawoskrętny

Lewoskrętny

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Elementy połączenia gwintowego

Śruba, wkręt, podkładka, nakrętka

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe – śruby i wkręty

Śruba z łbem sześcio-kątnym z gwintem na części trzpienia M5-M30

Śruba z łbem cylin-drycznym z gniazdem

imbusowym M2-M20

Śruba z łbem sześcio-kątnym z gwintem na całej długości trzpienia M2-M30

Śruba z łbem stożko-wym płaskim z gniaz-

dem imbusowym M3-M16

Śruba zamkowa

(podsadzana) M5-M12

Wkręt z łbem stożkowym płaskim z gniazdem krzyżowym M2-M8

Wkręt z łbem płaskim soczewkowym z gniazdem krzyżowym M2-M8

Wkręt dociskowy z gniazdem imbuso-wym (płaski) M3-M12

Wkręt dociskowy z gniazdem imbuso-wym (stożek) M2-M12

Wkręt metryczny z łbem płaskim soczew-kowym z gniazdem imbusowym M3-M10

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe – nakrętki

Nakrętka koronowa M5-M30

Nakrętka sześciokątna M2-M36

Nakrętka sześciokątna niska M2-M20

Nakrętka sześciokątna samohamowna M3-M36

Nakrętka sześciokątna kołpakowa M3-M24

Nakrętka sześciokątna kołpakowa samohamowna M4-M20

Nakrętka długa M6-M20

Nakrętka ślepa M4-M20

Nakrętka motylkowa M3-M16

Nakrętka sześciokątna kołnierzowa M4-M12

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe – podkładki

Podkładka płaska M2-M36

Podkładka sprężysta M2-M36

Podkładka talerzowa typ A M2-M10

Podkładka falista typ B M3-M20

Podkładka płaska szeroka M3-M24

Podkładka sprężysta ząbkowa typ A M3-M24

Podkładka sprężysta ząbkowa typ J M3-M24

Podkładka sprężysta gwiazdkowa typ A M3-M24

Podkładka sprężysta gwiazdkowa typ J M3-M24

Podkładka uszczelniająca z tworzywa, do wkrętów 4,5- 6,3

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe – blachowkręty

Blachowkręt z łbem płaskim soczewkowym z gniazdem krzyżowym 2,2- 6,3

Blachowkręt z łbem stożkowym płaskim z gniazdem krzyżowym 2,2- 6,3

Blachowkręt samowiercący z łbem sześciokątnym 3,9- 6,3

Blachowkręt samowiercący z łbem stożkowym płaskim i gniazdem krzyżowym 3,5- 4,8

Blachowkręt samowiercący z łbem płaskim soczewkowym z gniazdem krzyżowym 3,5- 4,8

Blachowkręt z łbem cylindrycznym z gniazdem imbusowym 4,8- 6,3

Blachowkręt z łbem sześciokątnym 4,2- 6,3

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Schemat obciążenia śruby i nakrętki, gwint prostokątny = 00

Wartość siły oporu H zależy od kierunku ruchu nakrętki (napinanie, luzowanie gwintu) oraz od współczynnika tarcia materiału śruby i nakrętki.

PKUP - W. Mościcki

2s dH5,0M

W4 28.10.2017

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Wyznaczenie siły oporu – H: gwint prostokątny = 00

PKUP - W. Mościcki

Kierunek ruchu nakrętki jest przeciwny do zwrotu siły Q (wciąganie, napinanie)

Kierunek ruchu nakrętki jest zgodny ze zwrotem siły Q (odkręcania)

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Wyznaczenie siły oporu – H: gwint prostokątny = 00

PKUP - W. Mościcki

„+” – gdy kierunek ruchu nakrętki jest przeciwny do zwrotu siły Q (wciąganie, napinanie) „-” – gdy kierunek ruchu nakrętki jest zgodny ze zwrotem siły Q (odkręcanie) - kąt tarcia, tg = - współczynnik tarcia materiału śruby i nakrętki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Moment oporów ruchu - gwint prostokątny ( = 00)

Moment tarcia (oporów ruchu) Ms między śrubą i nakrętką, gdy obciążeniem jest osiowa siła Q, jest równy:

gdzie: d2 oraz to parametry gwintu, - kąt tarcia, przy czym tg = , - współczynnik tarcia materiału śruby i nakrętki.

PKUP - W. Mościcki

tgdQ0,5 Ms 2

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Rozkład sił - gwint metryczny ( = 600)

N - siła normalna do zarysu, R - siła promieniowa

' = tg’,

' - pozorny kąt tarcia

PKUP - W. Mościcki

Q'Q

cos

NT

2

2

cos

QN

2

cos

'

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Moment oporów ruchu - gwint metryczny ( = 600)

Moment tarcia M’s między śrubą a nakrętką, gdy obciążeniem jest siła osiowa Q, jest równy:

gdzie: d2 – średnia średnica gwintu, - kąt pochylenia linii śrubowej, ’ – pozorny kąt tarcia

Moment M’s oporów ruchu gwintu metrycznego jest większy niż moment Ms oporów ruchu gwintu prostokątnego o tej samej

średnicy, gdyż pozorny kąt tarcia ’ jest większy od kąta tarcia .

PKUP - W. Mościcki

'tgdQ0,5 M' s 2

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Samohamowność

Samohamowność mechanizmu występuje wtedy, gdy nie jest możliwe odwrócenie kierunku napędu, tzn. napęd jest możliwy tylko od jednej strony. W samohamownym połączeniu gwintowym tylko obrót nakrętki (lub śruby) wywoła ruch liniowy śruby (albo nakrętki) i przeniesienie obciążenia Q. Odwrócenie kierunku napędu, czyli działanie siłą osiową Q na śrubę lub nakrętkę nie spowoduje żadnego ruchu.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Warunek samohamowności gwintu metrycznego

Samohamowność wystąpi wtedy, gdy siła oporu H jest równa zeru

lub gdy zmieni zwrot , czyli gdy H 0.

Ze wzoru wynika, że warunki te są spełnione, gdy kąt pochylenia linii śrubowej zwojów gwintu jest mniejszy od pozornego kąta

tarcia ’ lub równy jego wartości, czyli

Jest to warunek samohamowności połączenia gwintowego.

PKUP - W. Mościcki

0 'tgQH

'

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Warunek samohamowności gwintu metrycznego

Samohamowność wystąpi wtedy, gdy siła oporu H jest równa zeru

lub gdy zmieni zwrot , czyli gdy H 0.

Ze wzoru wynika, że warunki te są spełnione, gdy kąt pochylenia linii śrubowej zwojów gwintu jest mniejszy od pozornego kąta

tarcia ’ lub równy jego wartości, czyli

Jest to warunek samohamowności połączenia gwintowego.

PKUP - W. Mościcki

0 'tgQH

'

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Obliczenia wytrzymałościowe

Dokręcenie połączenia momentem Md wywołuje w nim siłę osiową Q. Wskutek tego następuje: - rozciąganie (ściskanie) rdzenia śruby:

w = 1 – wykonanie dokładne, w = 0,75 – wykonanie średniodokładne, w = 0,5 – wykonanie zgrubne, kr,c – dopuszczalne naprężenia na rozciąganie (ściskanie)

PKUP - W. Mościcki

c,rc,r kwd

Q

4

2

3

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Obliczenia wytrzymałościowe

- ścinanie gwintu śruby i nakrętki:

s kt

kt – dopuszczalne naprężenia tnące

słabszego materiału, s – naprężenia styczne

- naciski powierzchniowe: p pdop

pdop – dopuszczalne naciski obliczeniowe, p – rzeczywiste naciski obliczeniowe

Zakłada się równomierny rozkład nacisków w obu elementach.

Z trzech rodzajów obciążeń najbardziej niebezpieczne są naciski powierzchniowe

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Długość ześrubowania

PKUP - W. Mościcki

Długość ześrubowania (skręcenia) złącza gwintowego:

gdzie: kr – dopuszczalne naprężenia rozciągające materiału śruby,

pdop – dopuszczalne naciski powierzchniowe słabszego materiału.

Jest to długość ześrubowania, która zapewnia równowagę wytężenia materiału na naciski i na rozciąganie.

Jeżeli gwint będzie wystarczająco wytrzymały na naciski powierzchniowe, to nie dojdzie też do przekroczenia dopuszczalnych naprężeń dla pozostałych rodzajów obciążeń.

dp

k,s

dop

r 270

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Długość ześrubowania

PKUP - W. Mościcki

W poradnikach jest podawane zalecenie aby, ze względów wytrzymałościowych, długość

ześrubowania „s” nie była mniejsza niż:

s = (0,8 1,8)d Wtedy naciski pdop i naprężenia s są mniejsze od swych wartości dopuszczalnych, zaś najbardziej narażony jest rdzeń śruby (na zerwanie). stal – (0,8-1)d, mosiądz – 1,2d, dural – 1,8d

3. Połączenia

Moment tarcia na gwincie Ms’ jest równy:

Moment tarcia Mm na powierzchni oporowej jest równy:

PKUP - W. Mościcki

gdzie: dm - średnia średnica pola styku na powierzchni oporowej, 1 - współczynnik tarcia na powierzchni oporowej. Znak „+" przy dokręcaniu (napinaniu), znak „-" przy odkręcaniu (luzowaniu).

Połączenia gwintowe Moment dokręcenia i odkręcenia

Gwint metryczny (=600)

'tgdQ0,5 M' s 2

150 mm dQ,M

3. Połączenia

Q – siła docisku elementów złącza (napinająca śrubę), d2 – średnia średnica gwintu, - kąt pochylenia linii śrubowej, ’ - pozorny kąt tarcia

- znak "+" przy dokręcaniu (napinaniu), - znak "-" przy odkręcaniu (luzowaniu).

PKUP - W. Mościcki

Połączenia gwintowe Moment dokręcenia i odkręcenia

Gwint metryczny (=600)

1250 md d'tgdQ,M

3. Połączenia PKUP - W. Mościcki

Połączenia gwintowe Moment dokręcenia gwintu

- Śruba M10 dociągana stałym momentem Ms

- Współczynnik tarcia 1 = 0,3 oraz 2 = 0,1

- Iloraz sił osiowych Q , które wystąpią w śrubie po dokręceniu jej momentem Ms

Q

1 = 0,1

2 = 0,3

Q0,1 Q0,3

4230

10 ,Q

Q

,

,

Porównano tylko moment tarcia gwintu

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Moment dokręcenia śrub i nakrętek Mdmax

wg PN-63/M-82056

d3 – średnica rdzenia śruby w mm,

Re – granica plastyczności materiału śruby w MPa,

P – podziałka gwintu w mm,

k – współczynnik bezpieczeństwa, tzn. stosunek momentu

niszczącego do dopuszczalnego momentu dokręcania Mdmax

k = 1,43 – przy obciążeniach statycznych,

k’ = 1,67 – przy obciążeniach dynamicznych.

PKUP - W. Mościcki

k

PRd,M e

maxd

1000061

2

3

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Wartość dopuszczalnego momentu dokręcania Mdmax

śrub i nakrętek – wg DIN

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Wartości minimalnego momentu niszczącego

wg PN-ISO 898-7:1997

PKUP - W. Mościcki

Połączenia gwintowe Wymagania mechaniczne i użytkowe wkrętów

wg PN-EN ISO 7085:2003



Połączenia gwintowe Sposób dokręcania połączeń gwintowych wg DIN 267

Podwyższenie granicy plastyczności plastyczności i rozluźnienie wskutek opóźnienia sprężystego Rozluźnia połączenie Przywraca wstępne napięcie na poziomie bezpiecznym bez rozluźnienia początkowego

Zacisk momentem wywołującym 90% dopuszczalnego

odkształcenia (przez 10 minut)

Zwolnienie połączenia

Zacisk wywołujący napięcie wstępne nie większe niż przy

90% dopuszczalnym odkształceniu

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Oznaczanie właściwości mechanicznych

śrub i wkrętów stalowych

Ustalono 10 klas właściwości mechanicznych śrub i wkrętów:

3.6 4.8 5.6 5.8 4.6 6.8 8.8 10.9 12.9

A.B mR01,0

m

e

R

R10

Rm – granica wytrzymałości na rozciąganie w MPa Re – granica plastyczności w MPa

9.8

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Oznaczanie właściwości mechanicznych

nakrętek stalowych

Ustalono 6 klas właściwości mechanicznych nakrętek zwykłych:

4 5 6 8 10 12

A mR01,0

Rm – granica wytrzymałości na rozciąganie w MPa

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Właściwości mechaniczne śrub, wkrętów stalowych

i nakrętek zwykłych wg PN-82/M-82054

PKUP - W. Mościcki


Zalecany dobór śrub i nakrętek zwykłych wg PN-EN ISO 4032:2004

3. Połączenia

Układ tolerancji obejmuje: b) zbiór położeń pól tolerancji:

- G i H dla gwintów wewnętrznych,

- e, f, g i h dla gwintów zewnętrznych

Położenia pól tolerancji są dostosowane do: - potrzeb wynikających ze stosowania tradycyjnych powłok ochronnych, - wymagań łatwego montażu.

PKUP - W. Mościcki

Połączenia gwintowe Budowa układu tolerancji gwintu metrycznego

wg PN-ISO 965-1:2001


Określa się trzy kategorie wymagań dotyczących dokładności wykonania śrub, wkrętów i nakrętek :

A – wykonanie dokładne, B – wykonanie średniodokładne, C – wykonanie zgrubne.

Do każdego z tych wykonań zalecane są według odpowiednich norm: - właściwości mechaniczne, - pasowanie gwintu.

Połączenia gwintowe Dokładność wykonania elementów złącznych

3. Połączenia

c) Zalecane pola tolerancji gwintów wewnętrznych

S – mała długość skręcenia gwintu, N – średnia długość skręcenia gwintu (normalna), L – duża długość skręcenia gwintu

PKUP - W. Mościcki


wg PN-ISO 965-1:2001

3. Połączenia

d) Zalecane pola tolerancji gwintów zewnętrznych

PKUP - W. Mościcki


wg PN-ISO 965-1:2001

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zalecane skojarzenie parametrów śrub z łbem sześciokątnym

wg PN-EN ISO 4014:2004, PN-EN ISO 4016:2004, PN-EN ISO 4017:2004, PN-EN ISO 4018:2004,

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zalecane skojarzenie parametrów nakrętek sześciokątnych

wg PN-EN ISO 4032:2004, PN-EN ISO 4033:2004, PN-EN ISO 4034:2004

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Oznaczanie gwintu metrycznego na rysunkach

PN-EN ISO 6410-1:2000

M 20 2 - 6G/6h – L

Gwint trapezowy : Tr 40 14 (P7) LH

Symbol rodzaju gwintu,

Średnica nominalna

Skok (mm) - Ph

Podziałka - (P)

Kierunek zwoju - LH – gwint lewy

Klasa tolerancji Długość skręcenia (S = krótka, L = długa, N = normalna)

Liczba zwojów

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Gwint metryczny wewnętrzny: • o średnicy zewnętrznej D = 8mm, • z tolerancjami TD2 i TD1 odpowiednich średnic (D2 i D1) wg 6 szeregu tolerancji o położeniu pola tolerancji H

zwykły M8 – 6H

drobnozwojny M8 0,5 – 6H

PKUP - W. Mościcki


PN-EN ISO 6410-1:2000

3. Połączenia

Gwint metryczny zewnętrzny:

• o średnicy zewnętrznej d = 6 mm,

• z tolerancją Td2 – wg 5 oraz tolerancją Td – wg 6 szeregu tolerancji o położeniu g

zwykły M6 – 5g 6g

o długości skręcenia l = 12 M6 – 5g 6g - 12

PKUP - W. Mościcki


PN-EN ISO 6410-1:2000

3. Połączenia

Połączenia gwintowe System oznaczeń wg PN-ISO 8991:1996

Przykład 1: Przykład oznaczenia śruby z łbem sześciokątnym wg ISO 4014 z gwintem o średnicy d = M12, długości nominalnej l = 80 mm i klasie właściwości mechanicznych 8.8:

Śruba z łbem sześciokątnym ISO 4014 – M12x80 – 8.8

PKUP - W. Mościcki

Przykład 2: Przykład oznaczenia śruby z łbem sześciokątnym wykonanej wg ISO 8676 z gwintem o średnicy d = M12 i podziałce 1,5 mm, długości nominalnej l = 100 mm i klasie właściwości mechanicznych 10.9:

Śruba z łbem sześciokątnym ISO 8676 – M12 x 1,5 x 100 – 10.9

3. Połączenia


Przykład 3: Przykład oznaczenia śruby z łbem sześciokątnym wykonanej wg ISO 4014 z gwintem o średnicy d = M12, długości nominalnej l = 80 mm, klasie właściwości mechanicznych 8.8, z powłoką galwaniczną wg ISO 4042 o symbolu A2P:

Śruba z łbem sześciokątnym ISO 4014 – M12 x 80 – 8.8 – A2P

PKUP - W. Mościcki

Przykład 4: Przykład oznaczenia nakrętki sześciokątnej wg ISO 4032 z gwintem o średnicy d = M12 i klasie właściwości mechanicznych 8:

Nakrętka sześciokątna ISO 4032 – M12 – 8

3. Połączenia


Przykład 5: Przykład oznaczenia nakrętki sześciokątnej niskiej wykonanej wg ISO 4036 z gwintem o średnicy d = M6, ze stali o twardości 110 HV min (St):

Nakrętka sześciokątna ISO 4036 – M6 – St

PKUP - W. Mościcki

Przykład 6: Przykład oznaczenia podkładki okrągłej powiększonej (szeregu zwiększonego), klasy dokładności A – wg PN-EN ISO 7093-1:2003, wykonanej ze stali nierdzewnej klasy A2, o wielkości nominalnej 8 (do wkręta lub śruby M8), klasy twardości 200 HV:

Podkładka ISO 7093-1 – 8 – 200 HV – A2

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Klucze dynamometryczne

PKUP - W. Mościcki


Połączenia gwintowe Przyczyny zawodności połączeń gwintowych

Podstawowe przyczyny luzowania się połączeń gwintowych to:

- spadek napięcia wstępnego śruby, tj. siły osiowej wytworzonej w połączeniu po jego dokręceniu: prowadzi to do osłabienia siły zacisku złącza;

- samoodkręcanie się połączeń, będące zwykle następstwem zmiennego (udarowego) działania obciążenia lub zmiany temperatury.


Połączenia gwintowe Przyczyny spadku napięcia wstępnego

• osiadanie połączenia: powierzchnie stykających się części ulegają wygładzeniu

• pełzanie: powolne odkształcanie się materiału wskutek działania stałych, długotrwałych obciążeń, mniejszych od granicy sprężystości, np. deformacja podkładki (uszczelki) a także trwała zmiany długości osiowej śruby

• zmiany temperatury;

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zapobieganie spadkowi napięcia wstępnego

PKUP - W. Mościcki

Spadkowi napięcia wstępnego można zapobiec przez zwiększenie

elastyczności połączenia stosując:

• śruby o wysokim ilorazie l/d (l = długość pracującego gwintu, d = jego średnica);

• śruby i nakrętki ze stopów metali kolorowych lub podkładki ulepszane, które zmniejszają nacisk na powierzchnię, a tym samym i osiadanie;

• śruby i nakrętki z wprasowaną wkładką sprężystą względnie z podkładką wklęsłą;

• podkładki stożkowe lub sprężyste.

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Sposób dokręcania połączeń według DIN 267

PKUP - W. Mościcki

Podwyższenie granicy plastyczności plastyczności i rozluźnienie wskutek opóźnienia sprężystego Rozluźnia połączenie Przywraca wstępne napięcie na poziomie bezpiecznym bez rozluźnienia początkowego

Zacisk momentem wywołującym 90% dopuszczalnego

odkształcenia (przez 10 minut)

Zwolnienie połączenia

Zacisk wywołujący napięcie wstępne nie większe niż przy

90% dopuszczalnym odkształceniu


Połączenia gwintowe Samoczynne odkręcanie się połączeń gwintowych

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zapobieganie samoczynnemu odkręcaniu się

połączeń gwintowych

Samoczynnemu odkręcaniu się połączeń gwintowych można zapobiec następującymi metodami:

a) mechanicznie, stosując zabezpieczenia: • kształtowe, których dopiero zniszczenie lub

demontaż umożliwia luzowanie się połączenia, • cierne, polegające na zwiększeniu siły tarcia

b) stosując kleje, farby i lakiery zabezpieczające

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Mechaniczne sposoby zabezpieczania

przed samoczynnym odkręcaniem się połączeń

- zwiększenie siły osiowej do granicy plastyczności materiału (stosowanie śrub o dużej wytrzymałości),

- zwiększenie współczynnika tarcia przez odpowiednią zmianę kształtu lub dobór obróbki powierzchni czołowych śruby i nakrętki,

- zwiększenie ilorazu l/d podnosi elastyczność połączenia (l/d > 6 jest uważane za optymalne),

- stosując podkładki lub nakrętki specjalnego kształtu (np. Nord-Lock, Spiral-Lock, itp.).

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki



Podkładki zębate i nakrętki łożyskowe









w7



Połączenia gwintowe Eliminowanie zginania końca śruby


Połączenia gwintowe Elastyczne podparcie nakrętek

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zabezpieczanie z wykorzystaniem klejów

Zastosowanie kleju eliminuje swobodę ruchów poprzecznych dzięki całkowitemu wypełnieniu szczelin.

Obecność utwardzonego kleju w przestrzeni międzygwintowej zwiększa również wartość tarcia w połączeniu gwintowym.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Zabezpieczanie z wykorzystaniem klejów

PKUP - W. Mościcki

Do otworów Do otworów Po montażu przelotowych nieprzelotowych

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Porównanie różnych sposobów

zabezpieczania połączeń gwintowych

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Połączenie gwintowe jako element napędowy

Dane:

a) obciążenia:

Q – siła obciążająca, Mn – moment napędowy,

b) parametry gwintu:

d2 – średnia średnica gwintu, P – podziałka (skok) gwintu, – kąt pochylenia linii śrubowej,

c) materiał śruby oraz nakrętki.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia gwintowe Sprawność mechanizmu gwintowego

Sprawność dowolnego mechanizmu to iloraz pracy otrzymanej Lwy do pracy dostarczonej Lwe w jednostce czasu. W mechanizmie gwintowym: - praca dostarczona w czasie pełnego obrotu elementu:

gdzie Mn to moment niezbędny do pokonania oporów tarcia gwintu śruby i nakretki, równy:

PKUP - W. Mościcki

nwe ML 2

'tgdQ,Mn 250

3. Połączenia

P P = d2tg

d2

Z geometrii gwintu wynika zależność:

- praca otrzymana w czasie przesuwu elementu o skok P:

PKUP - W. Mościcki


PQLwy

3. Połączenia

Po podstawieniu: 'tgdQ5,02

tgdQ

2

2

a po przekształceniu:

PKUP - W. Mościcki


'tg

tg

Pozorny kąt tarcia ’ określony jest zależnością:

2

cos

arctg' w której: - kąt zarysu gwintu, - współczynnik tarcia materiału śruby i nakrętki



3. Połączenia

Połączenia gwintowe Cechy gwintu trójkątnego metrycznego

Zalety - powszechnie stosowany w połączeniach, gdyż jest

samohamowny, - niski koszt wykonania (dostępne narzędzia, opanowane

technologie w produkcji masowej jak i seryjnej), - łatwy do dokładnego wykonania, dlatego nadaje się do

śrub mikrometrycznych oraz do mechanizmów nastawczych,

- łatwe kasowanie luzu,

Wada: - ma mniejszą sprawność niż gwint trapezowy.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


Powstają przy wzajemnym wtłoczeniu łączonych elementów, gdy zachowany jest warunek:

dw > Do

Źródłem wcisku jest wzajemne odkształcenie materiału wałka i otworu wywołane niewielką różnicą wymiarów. Połączenia wtłaczane można rozłączać bez uszkodzenia elementów, chociaż jest to kłopotliwe.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Połączenia wtłaczane cierne – łączone elementy są unieruchamiane dzięki siłom tarcia wywołanym przez odkształcenia sprężyste w miejscu połączenia. W materiałach elementów łączonych nie powinno się przekraczać granicy proporcjonalności. Wymaga to zawężenia tolerancji wykonawczych, co podwyższa koszty. Jeśli łączone elementy wykonano z materiałów plastycznych można dopuścić duże wciski – z przekroczeniem granicy plastyczności. Takie połączenia są pewne i dużo tańsze ze względu na możliwość rozszerzenia tolerancji.

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

W mniej dokładnych mechanizmach stosuje się połączenia wtłaczane kształtowo-cierne , w których radełkowany wałek, wykonany z twardego materiału, jest wtłaczany w otwór elementu z materiału plastycznego. Następuje wcinanie się wierzchołków radełkowania w powierzchnię otworu. W połączeniu występuje duży błąd niewspółosiowości wywołany nierównomiernością radełkowania.


Zjawiska zachodzące podczas wtłaczania

wytłaczanie siłą statyczną

wytłaczanie siłą pulsującą

Fs (1,1-1,2) Fr

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane cierne w granicach sprężystości materiału

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

W obliczeniach połączeń wtłaczanych w granicach sprężystości materiału:

- przyjmuje się, że w połączeniu występuje równomierny rozkład nacisków na powierzchni styku o jednostkowym nacisku - p

- jednostkowy nacisk p wyznacza się ze wzorów LAME,

- jednostkowy nacisk p zależy od: • wymiarów dw i Do, • modułu sprężystości wzdłużnej (Younga) – E, • liczby Poissona - , • wysokości nierówności Rz, czyli od chropowatości

powierzchni

PKUP - W. Mościcki

Połączenia wtłaczane cierne w granicach sprężystości (1)

3. Połączenia


- moment przenoszony przez połączenie:

- siła rozłączająca połączenie jest równa:

gdzie: l – długość połączenia, r – obliczeniowy współczynnik tarcia przy rozłączaniu, p – jednostkowy nacisk obliczeniowy, d – nominalna średnica połączenia

PKUP - W. Mościcki

rr pldF

dF5,0M rr

3. Połączenia


- zalecane pasowania: • dla panewek mineralnych: h7/R7, H6/j5, H7/k6 • od 1 – 3 mm wg DIN: S7/h8, S7/h9 • od 3 – 6 mm: S7/h6

- zastosowanie: • w budowie maszyn, tzn. gdy d > 10 mm, • w drobnych mechanizmach, jeśli jedna z części jest

wykonana z kruchego materiału, np. ceramika, szkło, spiek, • gdy nie są wymagane duże wciski (przenoszone są

niewielkie obciążenia),

- ze względu na małe tolerancje, koszt wykonania jest duży

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane cierne z przekroczeniem granicy plastyczności

materiału

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane z przekroczeniem granicy plastyczności

Połączenia z przekroczeniem granicy plastyczności materiału są stosowane tylko do małych średnic, a więc gdy średnica d < 6 mm. Dla takich średnic, w połączeniach wykonanych w granicach sprężystości materiału, wciski są małe. Do otrzymania pewnego połączenia elementy musiałyby być wykonane z dużą dokładnością. W produkcji wielkoseryjnej czy masowej generowałoby to duże koszty. W celu ich obniżenia wprowadzono połączenia z dużo

większymi wciskami, tj. z przekroczeniem granicy plastyczności materiału. Nie wymagają one tak dużej dokładności wykonania.

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

- zbadano połączenia, w których:

• średnica połączenia d 6 mm, • średnica zewnętrzna wciskanego pierścienia Dz > 4d, • wcisk względny „w” zdefiniowany zależnością:

jest mniejszy niż: w < 100 m/mm

gdzie: dw – rzeczywista średnica wałka Do – rzeczywista średnica otworu

PKUP - W. Mościcki


w

ow

d

Ddw

3. Połączenia

- wprowadzono pojęcia: • jednostkowa siła wtłaczania – pw • jednostkowa siła rozłączania – pr

pw,r – jednostkowa siła wyrażona w MPa, Fw,r – całkowita siła wyrażona w niutonach N, w – wtłaczanie, r – rozłączanie S – powierzchnia otworu w mm2

PKUP - W. Mościcki


Siły wtłaczania Fw oraz rozłączania Fr wyznaczono doświadczalnie dla różnych parametrów opisujących połączenie, takich jak między innymi: w – wcisk względny, vw – prędkość wtłaczania, materiał

S

Fp w

w S

Fp r

r

3. Połączenia

2

dldpM rr

pr – jednostkowa siła rozłączania w MPa, d – nominalna średnica połączenia w mm, l – czynna długość połączenia w mm, V – objętość czynnej części połączenia w mm3

PKUP - W. Mościcki

- moment przenoszony przez połączenie (moment rozłączania):


rr pV2M



3. Połączenia

- jednostkowe siły pw i pr pozostają stałe, niezależnie od średnicy

wałka d, jeśli tylko wartość wcisku względnego w jest stała (dla pełnego materiału wałka)

- na wartość pw i pr bardzo duży wpływ mają: • prędkość wtłaczania: największe i stałe siły wtłaczania

występują, gdy prędkość vw 1 mm/s, • dokładność kształtu geometrycznego

Przy prędkości vw = 10 20 mm/s, jednostkowe siły wtłaczania pw oraz rozłączania pr są 2 5 razy mniejsze niż wtedy, gdy prędkość wtłaczania jest mała, tj. vw 1 mm/s.

- na wartość sił pw i pr większego wpływu nie mają: • chropowatość powierzchni elementów, • smarowanie podczas wtłaczania, • sposób wykonania otworu (wiercenie, przepychanie, itp.)

PKUP - W. Mościcki


3. Połączenia

- wytrzymałość połączenia wzrasta z czasem i jest największa po upływie 48 godzin,

- wytrzymałość połączenia zależy od twardości jaką osiąga materiał podczas wtłaczania wskutek odkształcenia,

- duży wcisk powoduje wzrost nie tylko twardości materiału ale także podwyższenie granicy plastyczności ,

- połączenia tego typu mogą być stosowane tylko wtedy, gdy łączone elementy są wykonane z materiałów plastycznych,

- połączenie jest bardzo pewne a równocześnie tanie, gdyż dopuszczalne są większe odchyłki wykonania.

PKUP - W. Mościcki




Obie części muszą być wykonane z materiału ciągliwego, w tym wałek ze stali twardej. Dobór pasowania zależy od zakresu średnic oraz od rodzaju materiału części natłaczanej (tulejki):

Średnica połączenia do 1 mm, materiał tulejki: – miękka stal: R5/h4, – miękki mosiądz i stopy Al: X7/h6

Średnica połączenia 1 ÷ 6 mm, materiał tulejki: – miękka stal: S5/h4, V6/h5, Z7/h6 – miękki mosiądz i stopy Al: Z7/h6, Z8/h8, Zb8/h8

Średnica połączenia ponad 6 mm: należy stosować pasowania normalne zalecane przez PN.

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane łatwo rozbieralne

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia wtłaczane łatwo rozbieralne

PKUP - W. Mościcki

a) tuleja sprężysta na wałku, b) tuleja sprężysta w otworze, c) tuleja sprężysta wskazówki

zegara


Połączenia kołkowe


Połączenia kołkowe


Połączenia kołkowe Kołki walcowe


Połączenia kołkowe Kołki stożkowe


Połączenia kołkowe Kołki sprężyste i z karbami


Połączenia kołkowe Kołki łączące

Kołki średniodokładne (B) o tolerancji:

h8, h9.

Otwór wykonany według tolerancji:

H8 Przykład oznaczenia:

Kołek walcowy 2x8-B

Chronić przed wypadnięciem


Połączenia kołkowe Kołki ustalające

Kołki dokładne (A) wykonane w

tolerancji:

m6, n6, s7 lub u8.

Otwór wykonany jest w tolerancji:

H7

Przykład oznaczenia:

Kołek walcowy H 2x8-A

Kołki stalowe obrabiane cieplnie: 40-50HRC (H – hartowanie)


Połączenia kołkowe Kołkowanie z możliwością demontażu

Stosujemy pasowanie na zasadzie stałego wałka: czyli dobieramy kołek h, np. h8.

W otworze płytki, np. górnej, stosujemy pasowanie suwliwe H (H8), zaś w otworze drugiej płytki (dolnej) pasowanie wtłaczane (S7).

pasowanie ciasne

pasowanie suwliwe

3. Połączenia

Połączenia bagnetowe

PKUP - W. Mościcki


Połączenia bagnetowe z zabezpieczeniem cierno-sprężystym

a) obrotowe b) przesuwne

Grubość kołnierza g powinna być nieco mniejsza niż długość szyjki kołka. W celu zabezpieczenia przed luzowaniem należy lekko wygiąć kołnierz. Powstaje wtedy sprężysty docisk kołnierza do łba kołka oraz do płyty. Połączenia niezbyt pewne, nie są też szczelne.


Połączenia bagnetowe z zabezpieczeniem cierno-klinowym

1 – pokrywa, 2 – wycięcie, 3 – kołek, 4 – rura, 5 - uszczelka

Ryglowanie następuje na powierzchni w kształcie klina. Aby połączenie było odporne na otwarcie pod działaniem wstrząsów musi być spełniony warunek:

21

1 – kąt tarcia między czołem rury 4 a uszczelką 5, 2 – kąt tarcia między kołkiem 3 a skosem, – kąt skosu


Połączenia bagnetowe z zabezpieczeniem kształtowym

1 – pokrywa, 2 – wycięcie, 3 – kołek, 4 – rura, 6 - sprężyna

Ryglowanie następuje po wsunięciu pokrywy 1 w rurę 4 i obróceniu ich względem siebie. Kołki 3 są wtedy dociskane sprężyną 6 do dna wycięcia 2. Ryglowanie połączenia jest bardzo pewne. Zamyka i otwiera się ono bardzo łatwo. Jest jednak bardziej skomplikowane konstrukcyjnie i wykonawczo niż poprzednie rozwiązania.


Połączenia wpustowe


Połączenia wpustowe Wpusty znormalizowane


Połączenia wpustowe Wpust pryzmatyczny


Połączenia wpustowe

Szerokość wpustu jest tolerowana na h9

Szerokość wpustu jest tolerowana na h9.

Połączenie wpustowe spoczynkowe: rowki pod wpust w obu elementach tolerowane na H9 lub N9.

Połączenie wpustowe ruchowe: rowek pod wpust tolerowany odpowiednio:

- na wałku: pasowanie spoczynkowe – N9 , - w kole: pasowanie ruchowe – G9 lub F9.

Połączenia nierozłączne



Klasyfikacja

3. Połączenia

Połączenia przez zalanie, zaprasowanie, wtopienie

PKUP - W. Mościcki


Połączenia zalewane, zaprasowane lub przez wtopienie (1)

Stosowane w odlewach ze stopów metali lekkich (Zn, Al) lub w wypraskach z tworzyw sztucznych do osadzania całkowicie wykończonych elementów, wykonanych z metali o większej wytrzymałości niż sam odlew.

W ten sposób umieszcza się w korpusach i szkieletach, takie elementy jak: tulejki i kołki gwintowane, tulejki łożyskowe.

Ta technika pozwala na zastąpienie nitowania i skręcania części.

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Zachować: - możliwie jednakową grubość ścianek, - nieprzelotowe otwory Zapewnić: - pozycjonowanie i unieruchomienie

dobrze dobrze źle źle



Łączenie części 1 z metalu i części 2 z tworzywa termoplastycznego



1 – tulejka z brązu 2 – korpus ze stopów metali lekkich

1 – wałek stalowy 2 – koło zębate z mosiądzu 3 – skomplikowana wypraska z tworzywa sztucznego


Technika out-sert (5)



w8

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - łapkowe

PKUP - W. Mościcki

a)

b)

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - łapkowe

PKUP - W. Mościcki

c) d)

Materiały na części tłoczone i gięte:

stale: C10 (10), C15 (15), C16 (15G), mosiądze: CW508L – CuZn37 (M63), CW509L – CuZn40 (M60), durale: AW 5251 – Al Mg2Mn0,3 (PA2N), AW 6082 – Al Si1MgMn (PA4N)

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - zagniatane

PKUP - W. Mościcki

e) d)

c) b) a)

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - zagniatane

PKUP - W. Mościcki

g)

f) Mocowanie drutu w płytce

Zamocowanie płytki na wałku

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - zawijane

PKUP - W. Mościcki

d) c) b) a)

e)

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - zawijane

PKUP - W. Mościcki

f)

Połączenia owijane: 1 – oprawa, 2 – trzpień z gniazdem, 3 – końcówka elektryczna, 4 – cienki drut

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe - zawalcowane

PKUP - W. Mościcki

Zawalcowanie: a) denka w rurze, b) pręta w rurze, c) pokrywy przyrządu pomiarowego

1- tarcza, 2 – uszczelka, 3 - szkło

3. Połączenia

Połączenia przez odkształcenie trwałe Połączenia nitowane i nitowe

PKUP - W. Mościcki


Połączenia nitowane i nitowe

Połączenia przed wykonaniem:

a i b) nitowane

c) nitowe


Połączenia nitowane - przykłady

Połączenie nitowane: a) płytki i wałka, b) koła zębatego z wałkiem na którym

wykonano zębnik



Połączenie wałka z płytką: a, b) metalową, c) z materiału kruchego lub miękkiego d, e) z zabezpieczeniem przed obrotem


Połączenia nitowane - wykonanie


Połączenia nitowane Przykłady ukształtowania zakuwek



Połączenie wałka i płytki z zabezpieczeniem wałka przed obrotem


Połączenia nitowe Znormalizowane nity i nitokołki


Połączenie nitowe – wykonanie


Przykłady połączeń nitowych

Nity pełne stosuje się do łączenia elementów metalowych: blach oraz blach z kształtownikami.

Nity z łbem grzybkowym stosuje się do elementów cienkich.


Przykłady połączeń nitowych

Nity drążone i rurkowe stosuje się do łączenia elementów wykonanych z materiałów miękkich lub kruchych. Nity rurkowe wykonuje się z rurki ciągnionej lub jako zwijane z blachy (tanie).


Rodzaje połączeń nitowych

Rozkład nacisków i naprężeń w połączeniu nitowym wykonanym a) na zimno, b) na gorąco


Zastosowanie nitokołków

Nitokołki są odmianą kołków z karbami.

Służą do łączenia elementów: - cienkich (zastępują nity), - cienkich z grubymi (zastępują wkręty).


Połączenia nitowe. Obliczenia wytrzymałościowe

Nity powinny być najsłabszym elementem w połączeniu. Nity obliczamy na ścinanie i na naciski. Nit powinien wywoływać odpowiedni docisk stykających się powierzchni, aby tarcie na tych powierzchniach tłumiło drgania.

Połączenia klejone



Połączenia klejone (1)

Klejenie polega na wprowadzeniu między łączone powierzchnie kleju, czyli substancji organicznej lub nieorganicznej.

Substancja ta po utwardzeniu tworzy spoinę, która wiąże ze sobą łączone powierzchnie dzięki przyczepności (adhezji) oraz wewnętrznej spoistości (kohezji). Podstawowym składnikiem kleju jest lepiszcze. Jest to substancja nadająca spoinie przyczepność do łączonych elementów i wytrzymałość mechaniczną. Klej może zawierać też substancje pomocnicze, jak rozpuszczalniki i wypełniacze. Mnogość łączonych materiałów, ich właściwości i wymagań odnośnie samego połączenia powodują, że dobór odpowiedniego kleju nie jest prosty.



Przemianę kleju w spoinie z konsystencji początkowej (ciekłej lub plastycznej) do konsystencji końcowej (stałej), a także jego utwardzenie nazywamy wiązaniem się kleju.

Ze względu na sposób przechodzenia ze stanu ciekłego (plastycznego) w stan stały kleje dzielimy na:

- kleje rozpuszczalnikowe (wiążące wskutek odparowania lub absorbcji rozpuszczalnika)

- kleje utwardzalne (wiążące wskutek przemiany chemicznej)

Rozróżnia się kleje wiążące: na zimno (tj. w temperaturze otoczenia) lub na gorąco (czyli w temperaturze powyżej 800 do ok. 2500 C).

Kleje rozpuszczalnikowe – dwuskładnikowe, przy produkcji składniki kleju miesza się z płynnym rozpuszczalnikiem.

W trakcie procesu klejenia, po odparowaniu rozpuszczalnika, następuje utwardzenie spoiny. Kleje rozpuszczalnikowe to m. in. : - na bazie kauczuku naturalnego lub syntetycznego (np. butapren, pronikol, K15), - winylowe (np. wikol, BWF-21, BWF-41)

Kleje utwardzalne – jedno lub dwuskładnikowe z dodatkiem utwardzacza (polimerowe). Do tej grupy zaliczamy: - kleje anaerobowe (Loctite), - kleje cyjanoakrylowe (Cyjanopan B4, Super Glue), - kleje epoksydowe (Epidian 100, ME-1), - kleje fenolowe (Klej nr 1, żywica AG), - kleje poliuretanowe (Izokol 102, 104).


Rodzaje klejów (3)

Wiązanie klejów utwardzalnych odbywa się najczęściej wskutek zajścia jednej z następujących reakcji: anaerobowej, anionowej (cyjanoakrylany), utwardzanie wilgocią, naświetlanie promieniami UV, utwardzanie aktywatorami.

Kleje anaerobowe – klej zamknięty w szczelinie złącza jest pozbawiony kontaktu z tlenem. Wtedy nadtlenki w reakcji z jonami metalu zamieniają się w wolne rodniki i inicjują formowanie łańcuchów polimerowych.



Proces utwardzania klejów (5)


Kleje cyjanoakrylowe ulegają polimeryzacji w kontakcie z powierzchniami lekko alkalicznymi. Na ogół wilgotność w powietrzu (40 do 60%) wystarcza, aby w ciągu kilku sekund, w temperaturze pokojowej, nastąpiło utwardzenie spoiny.

Kleje silikonowe i poliuretanowe ulegają polimeryzacji w temperaturze pokojowej poprzez reakcję z wilgocią otoczenia. Wilgoć musi przeniknąć do miejsca, w którym następuje wulkanizacja. Dlatego proces klejenia jest długotrwały.


Wytrzymałość połączeń klejowych uzależniona jest od wielu czynników, z których najważniejsze to: rodzaj dobranego kleju oraz przygotowanie jednorodnej masy

klejowej o odpowiedniej konsystencji, przygotowanie warstwy wierzchniej łączonych części, w tym jej

oczyszczenie oraz odpowiednia chropowatość, sposób przeprowadzenia procesu klejenia, w tym: nałożenie równomiernej warstwy kleju, dociśnięcie powierzchni przez określony czas, zachowanie temperatury i czasu wymaganych do utwardzenia, utrzymanie wymaganej szerokości szczeliny (mały skurcz kleju

podczas wiązania eliminuje naprężenia w spoinie), zachowanie wymaganego czasu sezonowania połączenia celem

osiągnięcia jego pełnej wytrzymałości,

Technologia klejenia (6)


Nośność połączeń klejonych (7)

Wpływ a) długości tulejki L, b) chropowatości powierzchni Ra c) grubości warstwy kleju gk na nośność połączeń czopowych walcowych, klejonych klejem Epidian 5 z utwardzaczem PAC


Najkorzystniej: gdy w połączeniu występują naprężenia styczne lub ściskające,

mniej korzystnie: gdy występują naprężenia rozciągające.

Korzystny rozkład naprężeń w połączeniu klejonym (8)


Niekorzystny rozkład naprężeń w połączeniu klejonym (9)

Niekorzystnie, gdy obciążenia powodują „rozdzieranie” połączenia.


Konstrukcja połączeń klejonych (10)

rozwiązanie konstrukcyjne połączenia, wartość, sposób i czas działania obciążenia


Konstrukcja połączeń klejonych (11)


Cechy połączeń klejonych (12)

+ prostota, możliwość łączenia dowolnych materiałów,

+ możliwość łączenia gotowych części, po obróbce mechanicznej i cieplnej, np. wklejenie łożyska tocznego,

+ możliwość wykonania połączenia w temperaturze pokojowej (klejenie na zimno),

+ odporność na korozję, zdolność tłumienia drgań,

+ duża odporność na zmiany temperatury (-55 do +230),

+ szczelność złącza,

wymagany docisk i unieruchomienie części w uchwycie do czasu uzyskania przez spoinę odpowiedniej wytrzymałości,

długi czas utwardzania wielu klejów (nawet kilka dni),


Cechy połączeń klejonych (13)

– możliwe rozwarstwienia spoiny pod wpływem obciążeń, – starzenie się kleju, – mała wytrzymałość w porównaniu z innymi połączeniami.

Połączenia te najczęściej pozycjonują łączone elementy względem siebie. Rzadko przenoszą obciążenia, które mogą zniszczyć połączenie.

Jeśli zaś są obciążone to połączenie elementów winno być kształtowe. Wtedy siły są przenoszone przez odpowiednie ukształtowanie części a nie przez spoinę (złącze). Klejenie jest wtedy tylko czynnikiem wspomagającym.


Wytrzymałość połączeń klejonych (14)

Siła tnąca Q, jaką może być obciążone połączenie, nie może być większa niż:

x

RSQ t

Rt – wytrzymałość spoiny na ścinanie, około 20 MPa, S – powierzchnia spoiny, [mm2]

x - współczynnik bezpieczeństwa

a) na określonej powierzchni, b) na całym obwodzie

Rysowanie połączeń klejonych

3. Połączenia

Połączenia lutowane

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Lutowanie polega na łączeniu stykających się części metalowych za

pomocą spoiwa zwanego lutem.

Proces lutowania obejmuje roztopienie lutowia, nagrzanie warstw przypowierzchniowych łączonych metali, ich wzajemną dyfuzję oraz usztywnienie po zastygnięciu.

Lut – metal lub stop o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych metali.

Podczas lutowania nie występuje nadtapianie łączonych części, a lut powinien tworzyć z nimi roztwory stałe.

Połączenie lutu z materiałem części łączonych następuje dzięki zjawisku kohezji (spójności międzycząsteczkowej) oraz w mniejszym stopniu dzięki dyfuzji (przenikaniu).

PKUP - W. Mościcki

Połączenia lutowane (1)



Wysoką jakość połączenia uzyskuje się, gdy:

powierzchnie łączonych metali są odpowiednio przygotowane, tzn. są czyste i mają chropowatość intensyfikującą działanie sił kapilarnych;

siła przyczepności lutowia do powierzchni łączonych metali jest większa niż siły dośrodkowe w lutowiu;

proces lutowania odbywa się w warunkach eliminujących szkodliwy wpływ środowiska.



Lutowanie miękkie – temperatura topnienia spoiwa poniżej 450ºC.

Stosowane głównie do połączeń obciążonych niewielkimi siłami, w celu otrzymania połączeń szczelnych oraz zapewniających styk metaliczny części przewodzących prąd (połączenia elektryczne).

Lutowanie twarde – temperatura topnienia spoiwa powyżej 450ºC.

Stosowane w połączeniach o wymaganej większej wytrzy-małości lub pracujących w wyższych temperaturach. Lutowanie twarde umożliwia łączenie kształtowników, blach, innych części mechanizmów, itd.


Połączenia lutowane (4) Wymagania dotyczące lutów

Trwałość połączenia zależy od właściwości dobranego lutu. Lut powinien mieć następujące cechy:

dobrą zwilżalność, tj. zdolność trwałego przylegania warstwy roztopionego lutu do łączonych powierzchni;

dobrą lejność, tj. zdolność rozpływania roztopionego lutowia po powierzchni łączonych metali;

zdolność przenikania roztopionego lutowia w mikroszczeliny powierzchni łączonych metali;

dużą wytrzymałość mechaniczną i plastyczność oraz odporność na korozję;

przewodność elektryczną (w połączeniach elektrycznych).


Luty twarde – o temperaturze topnienia od 450ºC, nawet do1400ºC.

• luty na bazie miedzi: miedź, miedź-cynk- nikiel,

• luty na bazie srebra: srebro, srebro-miedź oraz srebro-miedź-cynk,

• stopy złota ze srebrem, miedzią, kadmem, cynkiem, niklem,

• stopy aluminium z krzemem i miedzią,

• stopy niklu z chromem, krzemem i fosforem.

Rodzaje lutów (5)


Rodzaje lutów (6)

Luty miękkie – o temperaturze topnienia 180-300C.

Najczęściej stosowane są luty cynowo-ołowiowe: LC10, LC40, LC50, LC60, LC63, LC90.

Temperatura topnienia lutowia wynosi (183÷185)ºC. Liczba w oznaczeniu to % zawartości cyny.

Właściwości lutów cynowo-ołowiowych: a) większa zawartość cyny: poprawia odporność połączenia na

korozję, zmniejsza szkodliwość procesu dla środowiska. b) większa zawartość ołowiu: poprawia wytrzymałość

mechaniczną połączenia, poprawia zwilżalność podłoża, obniża temperaturę topnienia lutu.


Według zaleceń Unii Europejskiej luty cynowo-ołowiowe nie powinny być stosowane ze względu na szkodliwy wpływ na środowisko.

Luty cynowe (bezołowiowe) z dodatkiem cynku, kadmu i aluminium – do lutowania stopów aluminium.

Luty na osnowie cynku – do połączeń pracujących w wysokich temperaturach oraz do lutowania stopów aluminium.

Luty na osnowie bizmutu, indu, galu – do lutowania w niskich temperaturach (nawet kilka stopni C).

Rodzaje lutów (7)


Połączenia lutowane (8) Topniki

służą do oczyszczenia powierzchni z tlenków i poprawienia zwilżalności

ułatwiają przenoszenie ciepła z lutownicy do miejsca łączenia metali;

usuwają zanieczyszczenia z powierzchni łączonych metali;

zapobiegają zanieczyszczeniu łączonych powierzchni w temperaturze lutowania.

Topniki dzielą się na: - chemicznie czynne: po oczyszczeniu powierzchni muszą być usunięte, gdyż

powodują korozję złącza, np. boraks lub jego mieszanina z kwasem borowym, wodny roztwór ZnCl (najczęściej stosowany),

- chemicznie bierne: tylko chronią powierzchnię przed wpływem atmosfery, powierzchnie muszą więc być wstępnie oczyszczone, np. kalafonia.

Do połączeń w sprzęcie elektronicznym zalecane są topniki na osnowie czystej kalafonii sosnowej.


Oczyszczenie powierzchni w celu usunięcia warstwy tlenków i ułatwienia wnikania lutowia w szczelinę złącza. Stosuje się czyszczenie mechaniczne i chemiczne (odtłuszczanie lub trawienie).

Odtłuszczanie - elektrolityczne lub ultradźwiękowe w rozpuszczalnikach organicznych albo w roztworach alkalicznych.

Trawienie - w wodnych roztworach kwasów: siarkowego, solnego lub azotowego. Po trawieniu należy koniecznie spłukać lub inaczej zneutralizować roztwór dla uniknięcia korozji.

Przygotowanie powierzchni (9)

3. Połączenia

Konstrukcja połączeń lutowanych (10) Lutowanie twarde - przykłady

PKUP - W. Mościcki

a) czołowe proste, b) zakładkowe, c) czołowe z nakładką d) zaczepowe, e) nasadkowe

3. Połączenia

Konstrukcja połączeń lutowanych (11) Lutowanie twarde - przykłady

PKUP - W. Mościcki


Zasady konstruowania połączeń (12) Lutowanie twarde

- spoina może przenosić nie tylko obciążenia tnące ale też rozciągające,

- dopuszczalne naprężenia tnące spoiny dla obciążeń statycznych kt = 20–45 MPa, wyjątkowo dla lutów srebrnych kt = 80 MPa, (czyli Rt = 100-250 MPa),

- zalecana szerokość spoiny od 0,05 mm do 0,3 mm,

- należy stosować spoiwa srebrne, miedziane, mosiężne, brązowe i niklowe.


Konstrukcja połączeń lutowanych (13) Lutowanie miękkie - przykłady

źle

3. Połączenia

części należy łączyć kształtowo a spajanie powinno je tylko unieruchamiać,

spoina powinna pracować na ścinanie a nie na rozciąganie (odrywanie),

połączeń nie można lakierować na gorąco ani pokrywać galwanicznie,

dopuszczalne naprężenia tnące spoiny nie większe niż kt = 5 – 25 MPa,

zalecana szerokość spoiny w zakresie od 0,07 do 0,15 mm.

PKUP - W. Mościcki

Zasady konstruowania połączeń (14) Lutowanie miękkie


Obliczanie połączeń (15) Lutowanie miękkie

x

RSQ t

Rt – wytrzymałość doraźna spoiny na ścinanie, Rt = (14 – 85) MPa,

S – powierzchnia spoiny, [mm2]

x - współczynnik bezpieczeństwa,

Połączenia lutowane miękkie oblicza się na ścinanie, podobnie jak połączenia klejone.

przy czym: x = 3 dla obciążeń statycznych zaś x = 8 dla obciążeń dwustronnie zmiennych


Rysowanie połączeń lutowanych (16)

Przykłady rysowania i oznaczania połączeń lutowanych a) na określonej długości, b) na całym obwodzie

lutowanie ręczne kolbą (lutownicą), lutowanie na fali – automatyzacja procesu, mikrozgrzewarki rezystancyjne, lutowanie gazowe (w strumieniu gorącego gazu), lutowanie w podczerwieni Przykłady - w części dotyczącej połączeń elektrycznych.

Wykonywanie połączeń lutowanych

3. Połączenia

+ prostota wykonania, tanie oprzyrządowanie, niski koszt, + możliwość automatyzacji procesu, + lakierowanie i powłoki galwaniczne tylko w połączeniach lutowanych twardych, + możliwość uszczelnienia połączenia (łączenie zawijanych blach), - brak powtarzalności przy lutowaniu kolbą, - możliwość zabrudzenia lub nagrzania sąsiadujących elementów, - ograniczone zastosowanie gorącego gazu lub promieni podczerwonych z powodu wpływu na elementy sąsiadujące

PKUP - W. Mościcki

Cechy połączeń lutowanych (17)


Połączenia spawane


Wprowadzenie (1)

Spawanie polega na miejscowym nadtopieniu elementów łączonych - wykonanych z tych samych lub podobnych materiałów – razem z materiałem dodatkowym o zbliżonych właściwościach, zwanym spoiwem.

Stopione materiały mieszają się i krzepną tworząc spoinę. Spoina ma strukturę metalu lanego, ma więc nieco inne właściwości niż materiał elementów łączonych.

Występuje w procesie łączenia metali (głównie stali) oraz tworzyw sztucznych.


Wprowadzenie (2)

Spawalność to, podatność materiału do tworzenia złącz spawalniczych spełniających wymogi konstrukcyjne i technologiczne bez wykonywania dodatkowych zabiegów.

W przypadku metali żelaznych (stale, staliwa, żeliwa) spawalność zależy od zawartości węgla. Materiał jest dobrze spawalny gdy C<0.25%.

W przypadku metali kolorowych oraz tworzyw sztucznych głównym czynnikiem jest podatność na utlenianie w wysokich temperaturach. Stąd większość tych materiałów jest trudno spawalna i wymaga osłony gazowej.


Rodzaje spoin (3)


Metody spawania (4)

Spawanie gazowe: źródłem ciepła jest płomień spalania acetylenu (ok. 32000 C), konieczne jest dostarczenie dodatkowego spoiwa.

spoiwo palnik


Metody spawania (5)

Spawanie elektryczne: źródłem ciepła jest łuk elektryczny (do 35000

C), spoiwem może być sama elektroda albo dodatkowo dostarczony element.


Metody spawania (6)

a) elektroda topliwa otulona, b) elektroda nietopliwa, c) elektroda nietopliwa (wolframowa) w osłonie z argonu, d) spawanie atomowe (dwiema elektrodami wolframowymi w osłonie

wodoru atomowego)

1- materiał łączony, 2 – źródło energii elektrycznej, 3 – elektroda topliwa, 4 – elektroda nietopliwa 5 - spoiwo


Przykłady konstrukcji (7)

Podstawa a) nitowana, b) spawana

Spawane czołowe Spawanie pachwinowe


Zalety: • łatwe i szybkie wykonanie, niski koszt • prosta konstrukcja: brak elementów dodatkowych, mała masa • możliwość pełnej automatyzacji • wytrzymałość spoiny jest bliska wytrzymałości materiału części łączonych, • brak korozji elektrochemicznej, • stanowią dobre połączenie elektryczne, • zapewniają szczelność połączenia,

Wady: • dodatkowe naprężenia, odkształcenia i zmiana struktury • problemy ze spawaniem niektórych materiałów • wskazane podgrzewanie dużych elementów przed spawaniem oraz

powolne studzenie lub obróbka cieplna po spawaniu (w celu usunięcia naprężeń i ujednolicenia struktury materiału),

• konieczna wykwalifikowana kadra i specjalistyczne urządzenia

Cechy połączeń spawanych (8)


Metody spawania (9)

1 – katoda, 2 – elektroda kształtująca, 3 – anoda, 4 – cewka ogniskująca, 5 – zasuwa, 6 – przedmiot spawany, 7 – generator wysokiego napięcia, 8 – zespół pomp próżniowych

Spawanie elektronowe – źródłem energii jest skupiona wiązka elektronów, zapewnia precyzyjne łączenie nietypowych materiałów w wysokiej próżni z szybkością nawet 20 m/min.

Spawanie elektronowe (10)


Metody spawania (11)

Spawanie laserowe – źródłem ciepła jest skoncentrowana wiązka światła koherentnego o bardzo dużej gęstości mocy.

Efektem jest mała szerokość strefy wpływu ciepła (obszar wokół spoiny w spawanych materiałach), niewielki wpływ temperatury na konstrukcję, szybkie odprowadzenie ciepła i stygnięcie spoiny.

Schemat budowy lasera gazowego CO2 z prze-pływem podłużnym gazu do spawania


Spawanie laserowe – podatność materiałów (12)

Podatność materiałów na spawanie wiązką laserową


Właściwości spawania laserowego (13)

• wąska spoina, wąska strefa wpływu ciepła, • małe odkształcenia, minimalne zmiany struktury, • spawanie drutem o średnicy od 100 µm, • krótki czas spawania, • wysoka precyzja i czystość procesu, • mała ilość ciepła potrzebna do utworzenia spoiny, • łatwa automatyzacja, • możliwość łączenia materiałów trudnospawalnych, • brak wpływu pola magnetycznego na spoinę. • wymagany docisk powierzchni łączonych, • ograniczona maksymalna grubość łączonych elementów


Mikrospawanie laserowe (14)

W mikromechanice, do łączenia bardzo cienkich drutów z cienkimi warstwami metalu stosuje się mikrospawanie. Do mikrospawania najczęściej wykorzystuje się metodę spawania wiązką laserową.

Płaski element grzejny Wyprowadzenia baterii

litowo jonowej

Połączenie wyzwalaczy poduszek powietrznych


Połączenia zgrzewane


Zgrzewanie to łączenie materiałów metalowych lub niemetalowych polegające na wytworzeniu na powierzchni styku wspólnych ziaren. Są one efektem dyfuzji i rekrystalizacji sąsiadujących materiałów łączonych elementów.

Skuteczność procesu zależy głównie od docisku, temperatury i czasu trwania.

Najłatwiej zgrzewa się metale o jednakowym lub zbliżonym składzie chemicznym, np. stale węglowe ze sobą oraz stale węglowe ze stalami stopowymi lub narzędziowymi.

Przy odpowiednim prowadzeniu procesu możliwe jest zgrzewanie różnych metali, tworzyw termoplastycznych (np. polietylenu), a nawet metali i materiałów niemetalowych, np. stopów aluminium ze szkłem (za pomocą ultradźwięków).

Wprowadzenie (1)


Klasyfikacja połączeń zgrzewanych (2)

gazowe

elektryczne

termitowe

Przez podgrzanie

tarciowe

Bez podgrzania

zgniotowe

wybuchowe

ultradźwiękowe

iskrowe

oporowe

Zgrzewanie


Zgrzewanie materiałów metalowych (3)

Zgrzewanie w stanie plastycznym stopów o różnych składach chemicznych jest możliwe tylko wtedy, gdy tworzą one ze sobą roztwory stałe lub wchodzą w związki chemiczne.


Zgrzewanie elektryczne (4)

Do podstawowych rodzajów zgrzewania zalicza się zgrzewanie czołowe (stykowe), punktowe, liniowe i garbowe. Zgrzewanie czołowe stosuje się do łączenia prętów, odkuwek i innych elementów, w których zgrzeina obejmuje całe pole powierzchni styku. Tą metodą można wykonać np. narzędzia skrawające: - noże tokarskie, - wiertła do głębokich otworów, łącząc część skrawającą narzędzia ze stali narzędziowej z trzonkiem ze stali węglowej.


Zgrzewanie punktowe (5)

Zgrzewanie punktowe jest najczęściej stosowane do łączenia cienkich blach, a także blach z kształtownikami, itp.

Wprowadzenie zgrzewarek automatycznych, o wydajności do 200 zgrzein na minutę, spowodowało, że zgrzewanie punktowe jest stosowane głównie w produkcji wielkoseryjnej, m.in. w przemyśle samochodowym, kolejowym itp.


Zgrzewanie punktowe (6)

Przykłady kształtowania połączeń zgrzewanych punktowo


Zgrzewanie liniowe (7)

Elektrody stosowane w zgrzewaniu liniowym mają kształt krążków. Obracają się one ruchem jednostajnym, powodując przesuw, np. łączonych blach. Zgrzewanie liniowe umożliwia wykonanie połączeń szczelnych z cienkiej blachy: rur ze szwem, pojemników, a także połączeń kształtowych, stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu. Materiały: stal niskowęglowa (0,15% C), stal nierdzewna, mosiądz, dural.

Zgrzewanie liniowe a) podłużne, b) obwodowe Szerokość zakładki > 10g (g – grubość blachy)


Zgrzewanie garbowe (8)

Zgrzewanie garbowe (garbarowe) jest odmianą zgrzewania punktowego. Garby mają najczęściej kształt czaszy kulistej i służą do usztywnienia części wykonanych z cienkich blach. W zgrzewaniu garbowym elektrody płaskie (płytowe) dociskają części, powodując miejscowe nagrzanie blach (garbów) i uzyskanie zgrzein punktowych. Garby powinny być na tyle sztywne aby uległy tylko częściowemu zgnieceniu.

Kształty garbu Schemat zgrzewania garbowego

Przykład zgrzewania garbowego


Zgrzewanie tarciowe (9)

Praca tarcia dociskanych i obracających się powierzchni wyzwala ciepło, które powoduje zmiękczenie materiału. Połączenie jest stosowane do czołowego łączenia wałków lub wałków i blach.


Zgrzewanie zgniotowe (10)

Silny docisk stemplami o kształcie podobnym do elektrod zgrzewarki (bez przepływu prądu) – daje zgniot do 80%. Dzięki dyfuzji cząsteczek następuje połączenie elementów w miejscu docisku. Konieczne bardzo dokładnie oczyszczenie powierzchni.

Połączenie stosowane do łączenia cienkich blach, o grubości g < 0,2 mm (trudnych do łączenia innymi metodami) lub do łączenia ze sobą drutów ze stopów miedzi i aluminium. Właściwości: duża wytrzymałość połączenia


Zgrzewanie ultradźwiękowe (11)

1 – sonotroda, 2 – końcówka przewodu, 3 – płytka drukowana

Tarcie wywołane ruchem drgającym sonotrody powoduje miejscowe nagrzewanie materiałów, czyszczenie powierzchni oraz połączenie wskutek docisku. Docisk sonotrody nie jest duży - daje ok. 5% zgniot materiału. Częstotliwość drgań od 4 do 40 kHz. Połączenie ma charakter mechanicznego zatarcia.

• do łączenia końcówek przewodów elementów elektronicznych, • łączenie blach aluminiowych i części z tworzyw sztucznych


Rysowanie połączeń zgrzewanych (12)


Rysowanie połączeń zgrzewanych (13)

3. Połączenia

Połączenia elektryczne

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Celem połączenia elektrycznego jest zetknięcie ze sobą łączonych elementów w taki sposób, aby elektrony z siatek kryształów powierzchniowych jednego metalu mogły swobodnie przenosić się do siatek kryształów powierzchniowych drugiego metalu.

Kryterium określającym jakość połączenia elektrycznego jest jego rezystancja. Powinna ona być możliwie mała oraz charakteryzować się niewielkimi zmianami w czasie.

Na pogorszenie właściwości połączenia wpływa oddziaływanie środowiska, głównie: udary, wibracje, zmiany temperatury oraz zanieczyszczenie atmosfery.


PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia elektryczne są powszechnie stosowane w urządzeniach mechatronicznych, w których obok napędów elektromagnetycznych znajdują się układy elektroniczne takie jak: mikroprocesory, sensory, układy sterujące, zasilające, itp.

Połączenia elektryczne są elementami obwodu elektrycznego.

Należy dążyć do tego, aby połączenia elektryczne pracowały pod niskim napięciem i przy niewielkim natężeniu prądu.


PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Klasyfikacja

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Klasyfikacja

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia lutowane Właściwości elektryczne

PKUP - W. Mościcki

W nieznacznym stopniu zależą od wpływów otoczenia.

Przy poprawnej konstrukcji i jakości wykonania, rezystancja połączeń jest mniejsza od rezystancji przewodu (wyprowadzenia).

Po narażeniach cyklicznych np. zmiana temperatury (– 40 ÷+70)ºC rezystancja połączenia zmieni się w granicach (1÷3)%.

3. Połączenia

Połączenia lutowane Właściwości mechaniczne

PKUP - W. Mościcki

Wytrzymałość mechaniczna połączenia lutowanego oraz odporność na wibracje zależą od rodzaju i długości połączenia.

Połączenia wyprowadzeń do zwykłych pól lutowniczych cechują się niewielką wytrzymałością.

Połączenia lutowane wyprowadzeń do otworów metalizowanych są bardziej wytrzymałe.

3. Połączenia


Lutowanie miękkie: luty cynowo-ołowiowe, np. LC60. Topnik: kalafonia; Materiały łączone: mosiądz, miedź. Konstrukcja: odpowiednia długość połączenia lub konstrukcyjna ochrona przed zniszczeniem połączenia.

PKUP - W. Mościcki


Wytrzymałość połączeń lutowanych, dw = 8

a) połączenie zwykłe, Pśr= 40 N; b) połączenie zagięte, Pśr= 80 N; c) połączenie wzmocnione nitem rurkowym, Pśr>200 N; d) połączenie z otworem metalizowany, Pśr=200 N;

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

a) połączenie elementu przewlekanego do zwykłego pola lutowniczego b) połączenie lutowane do otworu metalizowanego


Połączenia lutowane Lutowanie ręczne kolbą


Połączenia lutowane Lutowanie gorącym powietrzem


Połączenia lutowane Lutowanie na fali stojącej

Film


Połączenia lutowane Lutowanie w podczerwieni


Połączenia lutowane - akcesoria

Wygrzewacz płytek

Pochłaniacz oparów lutowniczych

Chwytak podciśnieniowy

3. Połączenia

Połączenia owijane

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia owijane – konstrukcja

PKUP - W. Mościcki

Połączenie owijane polega na owinięciu kilku zwojów obnażonego litego przewodu dookoła końcówki montażowej, mającej dwie lub więcej ostre krawędzie. Siła naciągu wywierana na przewód w trakcie owijania powoduje powstawanie szeregu odcisków na powierzchniach stykających się metali, na których występują siły zapewniające styk metaliczny między przewodem i końcówką montażową.

3. Połączenia

Połączenia owijane

PKUP - W. Mościcki

Rozkład naprężeń w przewodzie owijanym. 1- końcówka montażowa kontaktu, 2- owijany przewód

Ze względna wymiary połączenia owijane dzieli się na: normalne – wykonane przewodami o średnicy 0,5 i więcej mm

oraz dla końcówek montażowych o przekątnych > 1,2 mm;

miniaturowe (miniowijane) – wykonywane przewodami o średnicach poniżej 0,5 mm oraz dla końcówek montażowych o przekątnych < 1,2 mm.

3. Połączenia

Połączenia owijane – konstrukcja

PKUP - W. Mościcki

W sprzęcie elektronicznym stosuje się dwa rodzaje połączeń owijanych: a) zwykłe: zwoje są wykonywane przewodem obnażonym;

b) modyfikowane: jeden do dwóch początkowych zwojów połączenia wykonuje się w izolacji (łączna liczba zwojów połączenia modyfikowanego jest o jeden do dwóch zwojów większa niż w połączeniu zwykłym).

3. Połączenia

Połączenia owijane – wykonanie

PKUP - W. Mościcki

Połączenia owijane dzielimy na: a) zwykłe i b) modyfikowane

1 – końcówka montażowa, 2 – przewód, 3 – tuleja zewnętrzna przyrządu, 4 – tuleja wewnętrzna przyrządu

3. Połączenia

Połączenia owijane – wykonanie

PKUP - W. Mościcki

Owijarka elektryczna

Owijarka ręczna

Owijarka mechaniczna

3. Połączenia

Połączenia owijane – właściwości

PKUP - W. Mościcki

Rezystancja połączenia owijanego jest bardzo mała i pod wpływem wilgotności, atmosfery korodującej, gwałtownych zmian temperatury zmienia się w granicach do 0,7 mΩ.

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Podczas wykonywania połączenia maksymalne naciski na powierzchni styku wynoszą ok. 700 MPa.

Z powodu relaksacji zimnej naprężenia ulegają zmniejszeniu ustalając się na poziomie ok. 200 MPa.

Wzrost temperatury powoduje dalsze zmniejszanie naprężeń. Przyjmuje się, że w końcu eksploatacji połączenia wartość naprężeń nie powinna być mniejsza niż 100 MPa.

Przewidywany czas pracy w określonej temperaturze: temperatura 175ºC czas pracy – 3 h, 100ºC – 6 miesięcy, 70ºC – 10 lat, 60ºC – 40 lat


Powierzchnia styku przewodu z końcówką jest przeciętnie dwa razy większa od przekroju poprzecznego owijanego przewodu.

Wytrzymałość połączenia określa się wartością siły ściągania zwojów z końcówki montażowej.

Odporność na wibracje, szczególnie połączeń modyfikowanych, jest bardzo duża. Przy narażeniach wibracjami o częstotliwościach 5÷55 Hz, amplitudzie 3,2 mm połączenie modyfikowane wykonane przewodem 0,5 mm wytrzymuje 50 h pracy, podczas gdy połączenie zwykłe tylko 4 h.

Stosowane jest szczególnie przy montażu urządzeń teletechnicznych.

Wykonanie połączeń jest tańsze niż połączeń lutowanych a niezawodność jest większa.

Raczej do produkcji małoseryjnej lub prototypowej.

Połączenie rozłączne

Wymaga dużo miejsca


3. Połączenia

Połączenia zaciskane

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Połączenie to polega na zaciskaniu łączonego przewodu wewnątrz końcówki montażowej. Wywierane naciski przekraczają granicę plastyczności materiałów łączonych. Powstaje duża liczba punktów styku (tzw. zimne zgrzeiny) o właściwościach połączeń metalicznych. Po odjęciu nacisku zewnętrznego odkształcony przewód wywiera nacisk na obwód końcówki montażowej, co zwiększa niezawodność połączenia.

Styk metali łączonych zaciskaniem: 1- końcówka montażowa, 2- przewód, 3- miejsca styku o właściwościach metalicznych

3. Połączenia

Połączenia zaciskane - rodzaje

PKUP - W. Mościcki

1 – końcówka montażowa, 2 – zaciskany przewód, 3 – szczęki zaciskarki, 4 – wnęka na izolację przewodu

- z końcówką otwartą - z końcówką zamkniętą

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Końcówki otwarte – zwykle w urządzeniach elektronicznych jako zakończenie kontaktów złączy modułowych lub końcówek kablowych.

Końcówki zamknięte - najczęściej zakończenie kontaktów złączy szufladowych i kablowych (okrągłych).

Wymiary wnęk zaciskanych dobiera się tak, aby siła wyrywania przewodu była większa od minimalnej wartości gwarantującej dobrą przewodność elektryczną, a mniejsza od siły zerwania przewodu.

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Przy dużej powierzchni styku stan powierzchni (tlenki, zanieczyszczenia) końcówki i łączonych przewodów odgrywa istotną rolę zwłaszcza dla sygnałów niskonapięciowych.

U > 10V – stan powierzchni nie ma wpływu na jakość połączenia; 1 < U < 10V – powierzchnia powinna być oczyszczona przed wykonaniem połączenia lub odpowiednio przygotowana (pokrycie, ostre występy); U < 1V – powierzchnia musi być odpowiednio pokryta

3. Połączenia


PKUP - W. Mościcki

Kształty końcówek zaciskanych na przewodach - (a) dostosowane do przykręcenia wkrętem do końcówki montażowej - (b).

Połączenie zaciskane (c) - zwykłe oraz (d) - modyfikowane

3. Połączenia

Połączenia zaciskane – materiały i pokrycia

PKUP - W. Mościcki

Końcówki prądowe i/lub przewodzące sygnały o napięciu powyżej U > 10V można pokrywać stopem cyna – ołów.

Końcówki przewodzące sygnały o niskich napięciach i niewielkich wartościach prądów (kilkadziesiąt mA) są pokrywane złotem na podwarstwie niklu.

Końcówki wykonywane są zazwyczaj z mosiądzu lub brązu berylowego.

3. Połączenia

Połączenia zaciskane Właściwości elektryczne

PKUP - W. Mościcki

Duża powierzchnia styku metalicznego łączonych elementów sprawia, że wartość początkowa rezystancji połączenia jest mniejsza – w przybliżeniu o 1/3 – od rezystancji przewodu równorzędnej długości.

Wartość rezystancji połączenia zależy w znacznym stopniu od jakości wykonania połączenia.

Połączenia niedostateczne lub nadmiernie zaciśnięte mają wartość rezystancji połączenia większą.

3. Połączenia

Połączenia zaciskane Właściwości mechaniczne

PKUP - W. Mościcki

Połączenia zaciskane konstruuje się tak, by ich wytrzymałość nie przekraczała wytrzymałości samego przewodu. W rezultacie uzyskuje się dostatecznie małą wartość rezystancji połączenia oraz łatwo jest wyciągnąć przewód z końcówki montażowej (naprawa). Połączenia zaciskane z obciśniętą izolacją (modyfikowane) należą do najbardziej niezawodnych. W trakcie długotrwałych badań uszkodzeniu ulega przewód

3. Połączenia

Połączenia zaciskane Właściwości mechaniczne

PKUP - W. Mościcki

Parametry połączenia zaciskanego do końcówki otwartej 1- końcówka montażowa; 2- przewody

3. Połączenia

Połączenia zaciskane – właściwości cieplne

PKUP - W. Mościcki

Po zaciśnięciu zamknięty obwód końcówki montażowej zmniejsza szybkość zaniku naprężeń w połączeniu.

Przy gwałtownych zmianach temperatury w zakresie (– 65÷+220)ºC rezystancja połączenia (końcówka złocona, przewód cynowany) wzrasta o 35%.

Połączenia zaciskane mogą pracować w wyższych temperaturach niż połączenia owijane.

3. Połączenia

Połączenia zaciskane Odporność na korozję

PKUP - W. Mościcki

Wskutek dużych nacisków powierzchniowych (ok. 300 MPa) uzyskuje się połączenie gazoszczelne (minimalna wartość nacisków ok. 20 MPa), o dużej odporności na korozję.

Po narażeniu połączeń trzydziestoma cyklami (15 h w atmosferze NaCl, 1 h w temp. 100ºC i 8 h w temp. 20ºC) rezystancja połączenia wzrasta z 0,07 do 0,08 mΩ, a po 100 cyklach słonej mgły rezystancja wzrasta o 50% ustalając się na poziomie 0,018 mΩ.


Połączenia zaciskane – sposoby wykonania

Zaciskarka do końcówek izolowanych i konektrorów

Zaciskarka do złączy



Zaciskarka tulejkowa

Zaciskarka stołowa elektryczna


Szczypce do wykonywania połączeń typu crimp


3. Połączenia

Połączenia dociskane - Konstrukcja

1 – końcówka, 2 – obejma, 3 – przewód, 4 – łapka obejmy

PKUP - W. Mościcki

3. Połączenia

Połączenia zaciskane Właściwości

PKUP - W. Mościcki

• bardzo szybkie i proste połączenie, • wymagane specjalne narzędzia a często też specjalne kable, • możliwe jednoczesne odizolowanie i zaciśnięcie (technologia IDC), • bardzo wysokie wymagania dotyczące materiałów (mechaniczne i elektryczne), • duża powtarzalność i niezawodność połączenia, • połączenie jest gazoszczelne

Połączenia elektryczne zgrzewane



Połączenia zgrzewane

Zgrzewanie polega na spajaniu materiałów przez ich docisk, połączony z podgrzewaniem łączonego miejsca do stanu plastyczności. Nie stosuje się materiału dodatkowego.

W połączeniach elektrycznych najczęściej wykorzystuje się zgrzewanie ultradźwiękowe.

Polega ono na wprowadzeniu elementów w szybkie drgania mechaniczne (ok. 20 kHz). Wywołują one nagrzewanie powierzchni styku spajanych elementów do temperatury uplastycznienia. Wywierany jednocześnie nacisk na miejsca spajania powoduje zgrzewanie elementów.


Zgrzewane ultradźwiękowe – klasyfikacja

Zasada zgrzewania ultradźwiękowego: a) punktowego, b) odcinkowego

1- generator prądów wysokiej częstotliwości, 2 - przetwornik, 3 - trafo, 4 - sworzeń, 5 - końcówka robocza sonotrody, 6 - zgrzewane przedmioty, 7 - kowadełko, Pz - siła docisku


Zgrzewane ultradźwiękowe – klasyfikacja

Zasada zgrzewania ultradźwiękowego: c) liniowego, d) pierścieniowego

1- generator prądów wysokiej częstotliwości, 2 - przetwornik, 3 - trafo, 4 - sworzeń, 5 - końcówka robocza sonotrody, 6 - zgrzewane przedmioty, 7 - kowadełko, Pz - siła docisku


Do przetwornika drgań (2) doprowadzany jest z generatora (1) prąd wysokiej częstotliwości.

Przetwornik (2) zmienia drgania elektryczne w drgania mechaniczne o tej samej częstotliwości.

Z przetwornikiem jest połączony trzpień drgający (4), zwany sonotrodą, z odpowiednim kształtem końcówki (5).

Przenosi on drgania mechaniczne na zgrzewane elementy (6).

Umieszczony naprzeciw sonotrody trzpień (7) służy do przejmowania jej drgań oraz do odprowadzania wytwarzanego ciepła.

Zgrzewane ultradźwiękowe – zasada działania


Parametry zgrzewania ultradźwiękowego

Parametry zgrzewania: • moc zgrzewania • czas zgrzewania • siła docisku • częstotliwość drgań ultradźwiękowych • rodzaj powierzchni i promień zaokrąglenia końcówki

roboczej sonotrody


Moc zgrzewania Zgrzewanie ultradźwiękowe punktowe, pierścieniowe i odcinkowe prowadzone może być dwoma sposobami: • przy stałym poziomie mocy i siły docisku lub • początkowo niższej mocy i wyższej sile docisku. Drugi sposób zapewnia lepszą jakość złączy, zwłaszcza metali i stopów trudno topliwych. Zgrzewanie liniowe może przebiegać tylko przy stałym poziomie mocy i stałej sile.


Typowe programy zgrzewania ultradźwiękowego



Siła docisku Siła docisku zgrzewania powinna uniemożliwić poślizg między końcówką roboczą sonotrody a zgrzewanym złączem. Nie może jednak być zbyt duża, gdyż wtedy występuje nadmierny zgniot złącza lub uszkodzenie powierzchni roboczej końcówki. Siłę docisku dobiera się w zależności od: - rodzaju zgrzewanych materiałów, - grubości i twardości materiałów, - rodzaju powierzchni końcówki roboczej sonotrody.





Przygotowanie powierzchni Większość materiałów zgrzewanych ultradźwiękowo nie wymaga oczyszczenia powierzchni przed zgrzewaniem. Materiały, takie jak: Al, Cu i ich stopy, mogą być zgrzewane w stanie dostawy, po usunięciu z powierzchni smarów, tłuszczów itp. Powierzchnie zgrzewane po utlenieniu czy trawieniu powinny być gładkie. Możliwe jest zgrzewanie przedmiotów pokrytych powłokami ochronnymi, takimi jak: emalie, lakiery, powłoki tlenkowe, anodowe.


Zgrzewanie ultradźwiękowe – sposoby wykonania

Przyrząd do ręcznego zgrzewania ultradźwiękowego

System zgrzewania ultradźwiękowego


• minimalny wpływ procesu zgrzewania na łączone materiały, • wąska SWC (Strefa Wpływu Ciepła), minimalne naprężenia i odkształcenia w złączu, • proste przygotowanie powierzchni do zgrzewania, • wysokie własności mechaniczne złączy oraz ich odporność korozyjna, przewodność elektryczna i cieplna, • bardzo małe moce zgrzewania w stosunku do innych procesów, • możliwość mechanizacji i automatyzacji procesu zgrzewania oraz sterowania jakością złączy.

Zgrzewanie ultradźwiękowe Właściwości

Zgrzewanie ultradźwiękowe – sposoby wykonania


Połączenia zakleszczane


Zasada tworzenia połączenia zakleszczanego jest bardzo podobna do zasady połączenia zaciskanego. Naprężenia potrzebne do zbliżenia łączonych elementów na odległości atomowe i tym samym umożliwiające przepływ prądu powstają wskutek wciśnięcia miedzianego przewodu w szczelinę płaskiej, sprężystej końcówki wykonanej zwykle z brązu fosforowego. Przewód ulega w czasie wciskania odkształceniu plastycznemu i zwiększa powierzchnię połączenia.

Połączenia zakleszczane – zasada

Zasada tworzenia połączenia zakleszczanego


Połączenia zakleszczane Zwiększenie liczby punktów styku

Naprężenie stykowe utrzymywane są siłami sprężystości końcówki. Tworzone są w ten sposób dwa symetryczne obszary styków. Małą wartość rezystancji oraz dużą niezawodność uzyskuje się, wprowadzając więcej niż dwa obszary styku przewodu i końcówki. W stosowanych rozwiązaniach końcówki mogą być płaskie w układzie równoległym lub tulejkowym.

Połączenia zakleszczane - zastosowanie

Połączenia tego rodzaju chętnie stosowane są do łączenia giętkich kabli taśmowych z kontaktami złączy modułowych i kablowych.

Stosowane konstrukcje nie wymagają usunięcia izolacji z końców przewodów.

Izolacja jest przebijana i nacinana przez odpowiednio ukształtowaną końcówkę.

Wszystkie przewody kabla łączone są z końcówkami jednocześnie i szybko.


Połączenia zakleszczane - wykonanie


Sposób wykonania połączenia kabla taśmowego ze złączem kablowym lub modułowym: (a) - ustawienie przewodów kabla nad sprężystymi kontaktami złącza, (b) - naciskanie powłoki izolacyjnej przez ostre krawędzie kontaktów, (c) - zakleszczanie przewodów w kontaktach


Złącza


Złącza

Złącze – para kontaktów wraz z końcówkami do podłączenia przewodów - służy do łączenia i rozłączania obwodów.

Najczęściej składają się z dwóch współpracujących ze sobą części – wtyku i gniazda.

Przy wyborze rodzaju złącza najważniejsze są:

maksymalna wartość natężenia prądu oraz napięcia, planowany czas i warunki eksploatacji.

Decydujący wpływ na czas eksploatacji styków mają materiał na elementy złącza oraz rodzaj, grubość i jakość pokrycia.


W złączach niezbędne do przepływu prądu naprężenia powstają w wyniku działania sił sprężystości. Połączenia rozłączalne tworzy się przez zastosowanie pary kontaktów wykonanych ze sprężystego brązu berylowego lub fosforowego. Zwykle pokrywa się je złotem, gdyż zmniejsza ono rezystancję połączenia, siłę tarcia podczas łączenia oraz zapobiega korozji styków.

Złącza

Idea połączenia rozłącznego wykorzystującego siły sprężystości kontaktów

Złącza – klasyfikacja


ZZłłąącczzaa

SSyyggnnaałłoowwee ZZaassiillaajjąąccee

KKoonneekkttoorryy ii

kkoońńccóówwkkii

AAuuddiioo--vviiddeeoo DDoo pprrzzeessyyłłuu

ddaannyycchh

PPrrzzeemmyyssłłoowwee

LLaabboorraattoorryyjjnnee

WW.. CCzz..

Złącza – klasyfikacja

We współczesnym sprzęcie elektronicznym stosowane są dwa rodzaje złączy: modułowe, służące do łączenia modułów z modułami, kablowe, służące do łączenia zespołów i bloków między sobą.


Złącze modułowe pośrednie


Wtyk i gniazdo są odrębnymi podzespołami, z których jeden jest zamocowany w ramie bloku, a drugi w module podstawowym. Jest to tzw. złącze pośrednie. Stosuje się je wówczas, gdy przewiduje się częstą wymianę modułów. Zazwyczaj stosuje się jeden rząd kontaktów, ale można też umieścić ich więcej.

Złącze modułowe bezpośrednie


Gdy wymiana modułów jest potrzebna jedynie w celu montażu lub naprawy, stosowane jest rozwiązanie, w którym rolę wtyku spełnia krawędź płytki modułowej, a kontaktami są odpowiednio przygotowane do tego celu pola obwodu drukowanego. Jest to tzw. złącze bezpośrednie.

W gnieździe złącza bezpośredniego można umieścić jeden rząd kontaktów (kontakt obejmuje całą płytkę) lub dwa rzędy (każda strona płytki ma oddzielne kontakty na górze i dole gniazda).

Złącze modułowe


Złącza kablowe


Złącza kablowe stosowane są w sprzęcie do łączenia wiązek przewodów wykorzystywanych do przesyłania sygnałów i rozprowadzaniu zasilania pomiędzy blokami.

Wyróżniamy złącza następujące złącza kablowe: okrągłe szufladowe współosiowe złącza do płaskich kabli taśmowych.

Złącza kablowe okrągłe


Złącza okrągłe są stosowane do zewnętrznego łączenia poszczególnych bloków lub zespołów. Ten rodzaj złączy wykorzystywany jest w rozbudowanych systemach elektronicznych. Sztywna konstrukcja i względna łatwość uszczelnienia kontaktów czynią te złącza najbardziej niezawodnymi.

Złącza kablowe szufladowe


Złącza szufladowe są stosowane do łączenia wewnątrz wspólnej obudowy wiązek przewodów wtykanych lub stałych zespołów elektronicznych.

Złączenie mechaniczne odbywa się przez skręcenie śrubami lub zatrzaskowo. Wzajemne naprowadzanie realizowane jest za pośrednictwem kołków prowadzących lub odpowiednio ukształtowanych osłon.

Złącza kablowe współosiowe


Złącza współosiowe wykorzystuje się do przesyłania sygnałów wielkiej częstotliwości, tj. do łączenia przewodów linii transmisyjnych, gdy niezbędne jest dobre ekranowanie, mała pojemność i mała impedancja falowa linii.

Przy wyborze typu złącza uwzględnia się rodzaj przewodu współosiowego, impedancję, współczynnik fali stojącej, odporność środowiskową oraz sposób zamocowania przewodu współosiowego w złączu.

Złącza do płaskich kabli taśmowych


Rozróżnia się dwa rozwiązania:

a) wtyk uformowany jest z samego kabla taśmowego, jego obnażone z izolacji

przewody pokrywa się pokryciami stykowymi.

b) przewody płaskiego kabla taśmowego łączone są bezpośrednio z kontaktami wtyku lub gniazda. W tym przypadku odpowiednio ukształtowane końcówki montażowe przebijają izolację i łączą bezpośrednio z przewodami kabla.


Połączenia elektryczne wielokrotne Złącza

3. Połączenia

• standaryzacja wymiarów i ujednolicenie wymagań (typizacja); • wymagana duża sprężystość oraz twardość materiałów na styki, • materiały na styki: brąz berylowy, brąz fosforowy, mosiądz; • obudowa złączy: tworzywa sztuczne (bakelit, delrin, ABS, poliamidy, PCW), stal nierdzewna, guma silikonowa, itp.

PKUP - W. Mościcki

Połączenia elektryczne wielokrotne Właściwości

3. Połączenia

• stosowanie pokryć ochronnych w celu: - zmniejszenia rezystancji połączenia, - poprawienia trwałości (odporność na ścieranie), - zapewnienia estetycznego wyglądu,

• rodzaje powłok: cyna, nikiel, miedź, złoto (złącza AV), srebro, pallad,

• powłoka złoto-nikiel zapewnia niską rezystancję oraz dobre własności mechaniczne;

• powłoki twarde zapewniają lepsze własności mechaniczne ale mają zwykle dużą rezystancję;

• przy dużym obciążeniu prądowym zalecane są styki srebrzone.

PKUP - W. Mościcki

Połączenia elektryczne wielokrotne Właściwości


Kryteria wyboru połączeń

Przy wyborze połączeń elektrycznych uwzględnia się przede wszystkim:

- niezawodność, - podatność na naprawy, - objętość jaką zajmują.

Najbardziej niezawodne są połączenia wykonywane „sterowalnymi” narzędziami z minimalnym udziałem człowieka: • połączenia owijane modyfikowane, • połączenia zaciskane modyfikowane, • połączenia lutowane w sposób zautomatyzowany.

Najbardziej zawodne są połączenia lutowane ręcznie.

Podatność na naprawy - najłatwiej dają się naprawiać te połączenia, do których naprawy nie trzeba zewnętrznych źródeł energii, a kwalifikacje naprawiającego nie muszą być wysokie.

Objętość połączenia - najoszczędniejsze są połączenia lutowane.


Rodzaj połączenia Względny wymiar

Lutowanie w metalizowanym otworze 1

Lutowanie w zwykłym otworze 2

Owijanie 10

Zaciskanie 20


Lutowanie jest najbardziej uniwersalnym sposobem łączenia. Jest stosowane nie tylko do łączenia wyprowadzeń elementów elektronicznych, podzespołów elektromechanicznych oraz przewodów z płytką drukowaną, ale także do łączenia przewodów między sobą oraz ze złączami.




Koniec wykładu część 2

Documents

3. Połączenia