Kap. 8 Forbindelseselementer Kap 8.1 Innledning om forbindelseselementer Kap. 8.: Skrueforbindelser Innledning Metriske ISO gjenger Skruens statiske og dynamiske fasthet Kraftfordeling in en skrueforbindelse Skruediagram Forspenningskraft og tilsettingsmoment Flerskrueforbindelser Kap. 8.3: Sveiseforbindelser Kap. 8.4: Krympe og pressforbindelser Kap. 8 Forbindelseselementer Forbindelse- eller sammenføynings-elementer eliminerer en del eller alle frihetsgrader Forbindelser kan være 1. Løsbare forbindelsen kan løses uten å ødelegge delene. Ikke-løsbare - forbindelsen kan ikke løses uten å ødelegge delene Noen eksempler på typer forbindelser i maskinkonstruksjon Skrueforbindelser Sveiseforbindelser Press- og krympeforbindelser Kileforbindelser ( key joint ) Nagleforbindelser ( rivet joint ) Loddeforbindelser ( solder joint ) Limeforbindelser Spline (el. spor) forbindesler Kapittelet vil fokusere på dimensjoneringsprinsipper, bruk av standarder og beregning av krefter på følgende typer forbindelser Kap. 8. Skrueforbindelser Kap. 8.3 Sveiseforbindelser Kap. 8.4 Press- og krympeforbindelser løsbar Ikke-løsbar Løsbar el. ikke-løsbar løsbar Ikke-løsbar Ikke-løsbar Ikke-løsbar løsbar
Kap. 8. Skrueforbindelser 1. Bolt. Mutter 3. Skive 4. Pinnebolt 5. Skrue Kap. 8. Skrueforbindelser Belasning på skruen Aksiale krefter Vanlige krefter i maskinkonstruksjon Skruen tar opp en del av ytrelasten Mulige skrueforbindelser av maskinskruer 1. Med gjengede standardelementer skruer med mutter (fig. (a)). Med utførte gjenger direkte i konstruksjonen (fig. (b) og (c)) Fordeler Svart sikre forbindelser Lett å montere og demontere Stort utvalg Konkurransedyktige forbindelser pga masseproduksjon av standardelementer med kostnadseffektive materialer og tilvirkningsmetoder Skjærkrefter Vanlige i stålkonstruksjoner (bygg, offshore ) Funksjonen avhenger av tilstrekkelig friksjon mellom delene som hindrer glidning Funksjonen er basert på klemkraften som påføres når skruen strammes
Kap. 8. Skrueforbindelser Metriske ISO-gjengeprofiler Gjengeprofiler Følgende profiler er standardisert i Norge Metriske ISO -gjenger basert på metriske mål (flankevinkel 6 ) dominerer i dag både i Norge og i de fleste land rundt om i verden (unntatt USA). Metriske trapesgjenger brukt til bevegelsesskruer (flankevinkel 3 ) Whitworth (UNS Unified National Standard) gjenger - basert på tommemål (flankevinkel 6 ) Rørgjenger basert på British Standard Pipe threads(bsp) tommemål (flankevinkel 55 )
Trapesgjengeprofil Eksempler på bruk av Trapesgjenger Trapesgjenger blir brukt til bevegelsesskruer og har en flankevinkel på 3. Gjengeprofilene er delt inn i tre hovedgrupper Grov Middels og Fin deling
Metriske ISO gjenger Eksempel på en skrueforbindelse Finhetsgrader og betegnelser Finhetgrader: to finhetsgrader i hvert sys. Grovgjenger har den største delingen mest brukt gjengetype. Fingjenger har mindre deling enn grovgjenger Stigning (lead) = Antall innganger * deling (pitch) Standard sekskantskruer og muttere
Finhetsgrader og betegnelser Finhetsgrad av skruers (eksempler) Betegnelsene opplyser om Gjengetype (M eller Unified), Diameter og (eventuelt) stigning (i mm for M gjenger og i antall gjenger per tomme for tommegjenger) Merknad Vanlig brukte gjenger er grove gjenger og de er høyregjenget. En høyregjenget skrue beveger innover i godset når den skrues med urviseren.
Skruers form og funksjon Skruers form og funksjon Betjeningsformen Skruene karakteriseres ved Dimensjoner Form og funksjon Materialkvalitet, o. l. Tilvirkningsmetoden stål trukket til tråd Valsing seigeherding (for masseproduksjon) Sponskjærende metoder (dreiing, fresing) - for større dimensjoner, spesielle skruer og trapesgjenger - denne metoden bør unngås dyrere skruer Smiing Hodeformen
Skruers form og funksjon (forts..) Spenningsareal og kjernetverrsnitt Skrueform ifølge anvendelse 3 H P Spenningsareal A s d 4 d 1 13 d H 4 1 Skrueendens forming - settskruer Kjernetverrsnitt A r d 4 1 d 4 17 1 H
Fasthetsklasser for skruer og muttere Fasthetsklassen for skruer angis med to tall skilt med et punktum som følger R e = skruematerialets min. flytegrense = R p, R m = Skruematerialets strekkfasthet Merk at vanlige skruer har kvalitetsklasse 8.8. Skrue Fasthetsklasse R m R e 5 min [N/mm ] [N/mm ] [%] 3.6 34 5 4.6 4 4 5 4 4.8 4 3 14 5.6 5 3 5.8 5 4 1 5 6.6 6 36 16 6.8 6 48 8 6 6.9 6 54 1 8.8 8 64 1 8 1.9 1 9 9 1 1.9 1 18 8 1 14.9 14 16 7 14 Mutter Fasthetsklasse Spenningsareal og kjernetverrsnitt (forts..) Skruens beteg. Nom. diam., d Deling p Deledia., d p Stammeareal, A Kjernetv. snitt, A r Spennings areal, A s M4 4..7 3.55 1.57 7.75 8.78 M5 5..8 4.48 19.64 1.68 14.18 M6 6. 1. 5.35 8.7 17.894.1 M8 8. 1.5 7.19 5.7 3.84 36.61 M1 1. 1.5 9.3 78.54 5.9 58. M1 1. 1.75 1.86 113.1 76.5 84.7 M16 16.. 14.7 1.6 144.1 156.67 M..5 18.38 314.16 5.19 44.79 M*..5.38 38.13 81.53 33.4 M4 4. 3..5 45.39 34.7 35.5 M7* 7. 3. 5.5 57.56 47.9 459.41 M3 3. 3.5 7.73 76.86 518.99 56.59 M33 33. 3.5 3.73 855.3 647.19 693.55 M36 36. 4. 33.4 117.9 759.8 816.7 M39 39. 4. 36. 1194.6 91.87 976. (Alle mål er i mm eller mm ) Skruehulldiameter (Frihulldiameter) Skrue (eksempler) Skruehulldiameter (Frihulldiameter) Fin Middels Grov M8 8,4 9, 1, M1 1,5 11, 1, M1 13, 14, 15, M16 17, 18, 19, M 1,, 4, M4 5, 6, 8,
Kraftfordelingen i en skrueforbindelse Kraftfordelingen i en skrueforbindelse Modellering som fjær Før forbindelsen belastes av ytre lasten F Strekkraft (F ) i skruen og Trykkraft (F ) i underlaget Når ytre kraften F er påsatt Strekkraften i skruen øker med andelen F s Modellering som fjær totallasten i skruen blir: F b = F + F s Trykklasten i underlaget avtar med andelen F m totallasten i underlaget blir: F k = F F m der F = F s + F m F s = *F og F m = (1-)*F er lastfordelingsfaktoren, < < 1
Stivheten av skruen og underlaget Modellering av skruen som seriekoblet fjærer Stivheten av underlaget Modellering av underlaget som seriekoblet fjærer Stivheten av skruen i klemmingssone beregnes ved å dele skruen i to områder: 1. den delen som er med gjeng (k s1 )og. den delen som er uten gjeng (k s ). Beregningsmetoder: som en hylse med ytrediameter lik mutterens anleggflatediameter. eller som to avkortede kjegler som vist ved vannrett skravering i figuren. Dette gir for stor stivhet i skruen for små variasjon i skruekraften. Se også Eksempel 8.1
Skruediagram Skruediagram sammenheng mellom stivhetsforhold og tøyning Totalkraft en i skruen: Høyere stivhet i underlaget (lav stivhet i skruen) Ubetydelig lastandel i skruen Større tøyning i skruen i forspenningslasten Større tøyning av skruen under forspenning, dvs. en skrue med lav stivhet er en fordel skruen får mindre belastning fra ytre lasten F b F F F s F der k s ks k m Klemkrafteni underlaget: F k F F F m (1 ) F Stort forhold mellom lengde og diameter for skruen gir lavere stivhet i skruen
Skruediagram Hva skjer ved økende F? Skruediagram Hva skjer ved økende F?
Skruediagram Hva skjer ved økende F? To ekstreme tilfeller F k 1. Skrueforbindelse med myk pakning Skruen antas for stiv Skruen og underlaget har forholdsvis for stor stivhet Pakningen tøyes for mye i forspenningen Tøyningen i skruen er ubetydelig for stiv skrue Liten endring i klemmelengden L k F b F k =. Skrueforbindelse med myk-del skrue Underlaget antas for stiv Underlaget får metall-metall kontakt Ved forspenning blir stor strekk tøyning i skruen og ubetydelig tøyning i underlaget Ved ytre last minskes F k uten endring i F b Forspenningskraft og tilsettingsmoment Når ytre kraften F er påsatt på skrueforbindelsen Trykkraften i underlaget minskes med F m Kraften i skruen øker med F s risikoen for utmatting av skruen øker for lav forspenning er ugunstig. Hovedregel: Forsøk å oppnå så høy forspenning som mulig! Men noe mindre enn flytegrensen (F flyt =R p,.a s ) Størrelsen på F avhenger av friksjon, usikre kontaktforhold og lignende. Jo høyere F desto større blir risikoen for at skruen blir ødelagt med selve tilsettingskraften setter den praktiske øvre grensen. Denne grensen avhenger av forspenningsmetoden, skruekvaliteten og delvis av hvor ofte skruen forspennes. Man skiller mellom to tilsettingsmetoder: Kontrollert en eller annen målemetode, f. eks. momentnøkler brukes Ikke-kontrollert montørens skjønnsmessige vurderinger benyttes
Forspenningskraft og tilsettingsmoment Eksempel 8- Tilsettingsmomemntet (MT ) for standard skruer bestemmes av formellen M T = k.f.d s k, er eksperimentelt bestemt faktor Fordeling av tilsettingsmomentet M s =,1M T - skyldes gjengstigningen (grov gjeng). M G =,5M T - skyldes gjengfriksjonen. M U =,4M T - skyldes friksjonen mellom mutter og underlaget. F = påført kraft F = aksial kraft i skruen ved forspenning Skjærspenning pga torsjon (6% av M T ) 16.,6.M.d 3 s T 9,6.M.d Normalspenning pga forspenningskraften F A s M. d T 3 s T 3 s 9,6, 48
Flerskrueforbindelser i skjærkraft Flerskrueforbindelser i skjærkraft Symmetrisk skjærkraft antas totalkraften er jevnt fordelt på alle skruer - gir den primære skjærkraften (F ) F ' P n Skjærspenning i skrue nr. i v n i 1 P A i 4P nd 4F' d
Flerskrueforbindelser i skjærkraft Eksentrisk skjærkraft 1) Direkte (primær) skjærspenning beregnes som ovenfor Eksempel 8.3 v n P i 1 A i 4P nd gjelder for n antall skruer med same diameter d ) Torsjonslignende kraft oppstår, i tillegg. - Estimeres med en ekvivalent momentpar - Sekundærskjærspenningen beregnes fra M r 4M i ti n nd Ai ri i 1 r i for n like store skruer Figuren viser en massiv rektangulær bjelke (snitt x 16 mm) skrudd til en vertikal kanalprofil av tykkelse t = 1 mm med 4 skruer (M16) som er symmetrisk plassert. Vi vil beregne - den resulterende kraften/spenningen i hver skrue - spenningen i den skruen som er høyest belastet, og - den kritiske bøyespenningen i bjelken.