Niedoceniane połączenie skurczowe - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

Lipiec/sierpień
Kwiecień
Listopad
Lipiec/sierpień
Październik
Lipiec/sierpień
Maj
Kwiecień
Styczeń/luty
Marzec
Listopad
Marzec
Grudzień
Czerwiec
Wrzesień
Październik
Styczeń/luty
Kwiecień
Czerwiec
Czerwiec

Niedoceniane połączenie skurczowe


zembatka

Połączenie skurczowe jest bardzo starym rozwiązaniem konstrukcyjnym. Od wielu lat jest z powodzeniem stosowane w wielu dziedzinach techniki. Połączenie to jest zaliczane do kategorii połączeń nierozłącznych. Istotą połączenia jest tzw. wcisk, to znaczy, że np. otwór piasty koła zębatego ma mniejszą średnicę niż wał, na którym koło będzie osadzone.

Jerzy Mydlarz

Montaż takiego połączenia polega na zmianie temperatury jednego lub obu montowanych elementów w celu uzyskania wystarczającego luzu montażowego. Po wyrównaniu się temperatur prawidłowo zaprojektowane połączenie jest uważane za nierozłączne i swoimi właściwościami odpowiada części monolitycznej. Od strony obliczeniowej istnieje podobieństwo obliczania połączeń skurczowych i wtłaczanych. Różnica pomiędzy tymi połączeniami polega na tym, że prawidłowo wykonane połączenie wtłaczane można rozmontować metodą nieniszczącą. Przyczyną braku możliwości rozłączenia połączeń skurczowych są dwa zjawiska. Pierwsze to mikro-zaczepy kształtowe, pomiędzy obu połączonymi częściami. schema_sW połączeniach wtłaczanych zostają one częściowo wyrównane w procesie montażu. Drugim zjawiskiem jest utlenianie powierzchni nie pokrytej olejem, jak ma to miejsce w połączenia wtłaczanych. Warstwa tlenków na powierzchni metalu powstaje już w czasie ogrzewania jednego z elementów. Po zakończeniu montażu proces utleniania przebiega aż do wykorzystania całego tlenu w złączu. Ponieważ objętość tlenków jest większa niż materiału rodzimego, wcisk jest jeszcze większy.
W pewnych obszarach przemysłu połączenie skurczowe jest technologią podstawową. Jest ono od wielu lat stosowane do produkcji luf broni palnej, w zestawach kołowych dla kolei i w produkcji silników spalinowych, gdzie tą technologią osadza się gniazda i prowadnice zaworowe w głowicach silników, oraz wieńce zębate rozrusznika na kole zamachowym. Stykając się często z dokumentacją przekładni zębatych uważam, że połączenie to jest w tym obszarze zbyt rzadko stosowane.
Pozwala ono wyeliminować złącza typu wpust lub wielowypust i zapewnia najwyższą nośność, zbliżoną do monolitu. Technologia pozbawiona nacinania elementów uzębionych jest znacznie tańsza. W przypadku kół zębatych poddawanych obróbce cieplno-chemicznej, operacja niskiego odpuszczania nadaje się doskonale do montażu koła na wale, nie wymagając dodatkowego zużywania energii. Puryści obróbki cieplnej na pewno się oburzą, ponieważ koło zębate powinno być odpuszczane niezwłocznie po hartowaniu. Nie ośmielę się zaprotestować, ale w firmie, w której pracowałem wiele lat, koła zębate do połączenia skurczowego miały po hartowaniu szlifowany otwór i dopiero wtedy szły do niskiego odpuszczania zakończonego montażem na wale.  Ostatnią operacją było szlifowanie uzębienia, bazując na wcześniej wyszlifowanych powierzchniach pod łożyska na wale. Dzięki temu bicie uzębienia względem miejsc łożyskowania było najmniejsze. Pomimo tej technologii, odpuszczania niezgodnego ze sztuką, nie mieliśmy z tymi kołami problemów jakościowych, wywołanych mikropęknięciami. Jeśli jednak dla danego typu materiału bezzwłoczne odpuszczanie po hartowaniu jest niezbędne, to albo trzeba stosować podwójne odpuszczanie, albo sprawdzić czy możliwy jest montaż złącza przy samym tylko ochłodzeniu elementu wewnętrznego.
Prawdopodobnie na przeszkodzie szerszego stosowania tego połączenia stoi niedostępność literatury i sprawdzonych metod obliczeniowych. Brak jest niestety monografii na temat tego połączenia w polskiej literaturze technicznej. Wiedza jednak jest, tylko rozproszona. Mnie udało się ją częściowo zebrać i uzupełnić doświadczeniami swoimi i kolegów. Nie obserwuję też rozwoju tego rodzaju połączenia, a pojawiały się technologie, które mogą rozszerzyć obszar jego stosowania. Umieściłem kilka propozycji rozwojowych w uwagach końcowych niniejszego opracowania.  
Przykładem udanego zastosowania takiego połączenia w układzie napędowym jest pokazana powyżej przekładnia kombajnu chodnikowego, w której wał wyjściowy z monolitycznego został przekonstruowany na wał składany z wykorzystaniem połączenia skurczowego. Podjęte wcześniej próby zastosowania w tym miejscu wielowypustu zakończyły się niepowodzeniem.

Obliczenia
Jeśli wiemy jaką siłę ma przenosić nasze złącze i nie ma dostępnego legalnego modułu MES, to podstawowe jego parametry można obliczyć w oparciu o szeroko dostępną literaturę związaną z połączeniami wtłaczanymi. Ja od lat z upodobaniem korzystam z książki prof. Wacława Moszyńskiego. Jego czterotomowy „Wykład Elementów Maszyn” jest dla mnie dziełem podstawowym. Połączenia skurczowe są opisane w części I „Połączenia”. Mam w swojej bibliotece nawet dwa wydania z 1953 i 1955  roku. Książki te jeszcze wciąż można bez trudu kupić na aukcjach internetowych za małe kwoty. Ta część literatury pozwoli nam zaprojektować złącze od strony przenoszonego obciążenia. Co się tyczy technologii wykonania musimy sięgnąć do kilku innych pozycji. Zaletą dzieł profesora Moszyńskiego jest przystępny wykład teorii, zawsze poparty przykładem obliczeniowym, świadczącym o znajomości rzemiosła. Mój wspominany już przy innej okazji Tato, miał specyficzne poczucie humoru i znakomitą celność spostrzeżeń. Pewnego razu tłumaczył mi jak mam wymienić pompę cieczy chłodzącej w naszym rodzinnym samochodzie. Ja z właściwą dla młodzieńców arogancją uważałem, że poradzę sobie bez ojcowskich porad (byłem wtedy studentem politechniki). Niezbyt grzecznie przerwałem wywód, mówiąc: nie mów mi tego wszystkiego, bo ja wiem jak to zrobić! Na to Tato, z niezmąconym spokojem zapytał: Czy ty to wiesz, czy też już to kiedyś robiłeś? Ponieważ to są dwie zupełnie różne sprawy.
Czytając książki profesora Moszyńskiego wyczuwa się, że on i wiedział, i robił.

Najnowsze wydanie


280

Styczeń-luty 1/2 (88/89) 2015
spis treści

Artykuł na życzenie

Sonda

Poniżej zamieszczamy fragmenty artykułów z najnowszego wydania, na które można głosować w naszej internetowej sondzie.
Artykuł, który zdobędzie największą ilość głosów zostanie opublikowany w całości.

Gaz ziemny - paliwo przyszłości

Gaz ziemny - paliwo przyszłości

W technice motoryzacyjnej trwa „wyścig zbrojeń”. Z roku na rok powstaje coraz więcej nowych lub odkurzonych koncepcji napędu samochodów. Przyzwyczailiśmy się już do układów hybrydowych, coraz śmielej wkraczają silniki elektryczne i ogniwa paliwowe...

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; część 1. Jak dojrzewały pomysły.

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; część 1. Jak dojrzewały pomysły.

Jest rok 1970. Komuna w pełni. Nie ma internetu, Discovery, czy Galileo. Dostęp do nowinek technicznych tylko za pomocą Młodego Technika, szczątkowych audycji telewizyjnych lub prywatnymi kanałami. Naście lat na karku...

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; część 3

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; część 3

Materiały lekkie, takie jak stopy aluminium o gęstości ρ ≈ 2,7 g/cm3 (przedstawione w części I naszego cyklu), stopy magnezu o gęstości ρ ≈ 1,8 g/cm3 (omówione w części II), stopy tytanu o gęstości ρ ≈...

Ręczne skrobanie powierzchni stykowych obrabiarek

Ręczne skrobanie powierzchni stykowych obrabiarek

Ręczne skrobanie jest obróbką służącą wykończeniu powierzchni stykowych, do dziś stosowaną w przemyśle. Czy w obliczu tak ogromnego rozwoju technologii i nowoczesności wdrażanych rozwiązań ręczna obróbka może okazać się najlepsza? Co przemawia za...

Różne oblicza inżynierii odwrotnej

Różne oblicza inżynierii odwrotnej

W dobie coraz częściej wykorzystywanego wytwarzania metodą rapid prototyping/rapid forming, na większą uwagę zasługuje wykorzystywanie metody odtwarzania fizycznych części w środowisku CAD, czyli tzw. projektowanie odwrotne (reverse engineering). Zapewne przyczynia się do...

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 1

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 1

Spotkania z użytkownikami systemu CATIA, a także dyskusje prowadzone na forach internetowych są dla mnie zawsze inspirujące. Cykl artykułów, który niniejsza publikacja rozpoczyna, powstał niejako w odpowiedzi na pytanie zadane właśnie na forum...

Spawalność miedzi i jej stopów; część 2

Spawalność miedzi i jej stopów; część 2

Nasi dziadowie spawali miedź palnikiem acetylenowo-tlenowym z silnym podgrzewaniem, w specjalnie budowanych piecach. Nasi ojcowie zaczęli spawać miedź i jej stopy łukiem elektrycznym. W latach 80-tych XX wieku Polska stała się  potentatem w produkcji miedzi...

Endoskopowe badania silników wewnętrznego spalania

Endoskopowe badania silników wewnętrznego spalania

Konstruktorzy pierwszych silników spalinowych zapewne marzyli o tym, aby zajrzeć do wnętrza własnej konstrukcji podczas jej pracy. Znacznie ułatwiłoby to modernizację projektu poprzez wykrycie słabych punktów. Pozwoliłoby również wcześnie przewidzieć nadchodzącą...

Spawanie metodą TIG stopów aluminium o różnej zawartości Mg

Spawanie metodą TIG stopów aluminium o różnej zawartości Mg

Stopy aluminium to materiały szeroko stosowane w światowym przemyśle. Najważniejsze i najliczniejsze zastosowania znajdują w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, budowlanym, elektrotechnice i transporcie, a trudnoodkształcalne stopy aluminium serii 5xxx stosowane są...