Asamblari_elastice

23
5. ASAMBLĂRI ELASTICE (ARCURI) 5.1. DEFINIRE, CLASIFICARE, DOMENII DE FOLOSIRE Arcurile sunt organe de maşini care realizează o legătură elastică între anumite piese sau subansamble ale unei maşini. Prin forma lor şi prin caracteristicile mecanice deosebite ale materialelor din care se confecţionează, arcurile au capacitatea de a se deforma sub acţiunea unei forţe exterioare, preluând lucrul mecanic al acesteia şi înmagazinându-l sub formă de energie de deformaţie. La dispariţia sarcinii exterioare, energia înmagazinată este restituită sistemului mecanic din care face parte arcul. Clasificarea arcurilor se face după o serie de criterii, prezentate în continuare. După forma constructivă, se deosebesc: arcuri elicoidale, arcuri bară de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri în foi, arcuri inelare, arcuri disc şi arcuri bloc. După modul de acţionare a sarcinii exterioare, clasificarea se face în: arcuri de compresiune, arcuri de tracţiune, arcuri de torsiune şi arcuri de încovoiere. După solicitarea principală a materialului , se deosebesc arcuri solicitate la torsiune, la încovoiere şi la tracţiune- compresiune. După natura materialului din care este executat arcul, se deosebesc arcuri metalice şi arcuri nemetalice. După variaţia rigidităţii, arcurile pot fi cu rigiditate constantă sau cu rigiditate variabilă (progresivă sau regresivă). După forma secţiunii arcului, se deosebesc arcuri cu secţiune circulară, inelară, dreptunghiulară, profilată sau compusă. Domeniile de folosire ale arcurilor sunt variate, cele mai importante fiind:

description

Asamblari_elastice

Transcript of Asamblari_elastice

8

PAGE -58-

5. ASAMBLRI ELASTICE (ARCURI)

5.1. DEFINIRE, CLASIFICARE, DOMENII DE FOLOSIREArcurile sunt organe de maini care realizeaz o legtur elastic ntre anumite piese sau subansamble ale unei maini. Prin forma lor i prin caracteristicile mecanice deosebite ale materialelor din care se confecioneaz, arcurile au capacitatea de a se deforma sub aciunea unei fore exterioare, prelund lucrul mecanic al acesteia i nmagazinndu-l sub form de energie de deformaie. La dispariia sarcinii exterioare, energia nmagazinat este restituit sistemului mecanic din care face parte arcul.

Clasificarea arcurilor se face dup o serie de criterii, prezentate n continuare.

Dup forma constructiv, se deosebesc: arcuri elicoidale, arcuri bar de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri n foi, arcuri inelare, arcuri disc i arcuri bloc.

Dup modul de acionare a sarcinii exterioare, clasificarea se face n: arcuri de compresiune, arcuri de traciune, arcuri de torsiune i arcuri de ncovoiere.

Dup solicitarea principal a materialului, se deosebesc arcuri solicitate la torsiune, la ncovoiere i la traciune-compresiune.

Dup natura materialului din care este executat arcul, se deosebesc arcuri metalice i arcuri nemetalice.

Dup variaia rigiditii, arcurile pot fi cu rigiditate constant sau cu rigiditate variabil (progresiv sau regresiv).

Dup forma seciunii arcului, se deosebesc arcuri cu seciune circular, inelar, dreptunghiular, profilat sau compus.

Domeniile de folosire ale arcurilor sunt variate, cele mai importante fiind:

amortizarea ocurilor i vibraiilor (la suspensiile autovehiculelor, cuplaje elastice, fundaia utilajelor etc.);

acumularea de energie (la ceasuri cu arc, arcurile supapelor etc.), care apoi poate fi restituit treptat sau brusc;

exercitarea unei fore permanente, elastice (la cuplajele de siguran prin friciune, ambreiaje prin friciune etc.);

reglarea sau limitarea forelor (la prese, robinete de reglare etc.);

msurarea forelor i momentelor, prin utilizarea dependenei dintre sarcina exterioar i deformaia arcului (la cntare, chei dinamometrice, standuri de ncercare etc.);

modificarea frecvenei proprii a unor sisteme mecanice.5.2. MATERIALE I TEHNOLOGIE

Materialele utilizate n construcia arcurilor se aleg astfel nct s ndeplineasc o serie de condiii generale, cum sunt: rezisten ridicat la rupere, limit ridicat de elasticitate, rezisten mare la oboseal (uneori i rezisten la temperaturi nalte, rezisten la coroziune, lipsa proprietilor magnetice, dilataie termic redus, comportare elastic independent de temperatur etc.).

Materialele feroase dedicate construciei arcurilor sunt oelurile. Acestea pot fi oeluri carbon de calitate (OLC 55A, OLC 65A, OLC 75A, OLC 85A) sau oeluri aliate (cu Si, pentru rezisten i tenacitate; cu Mn sau Cr, pentru clibilitate i rezisten la rupere; cu V, pentru rezisten la oboseal; cu Ni, pentru termorezisten). Oelurilor pentru arcuri li se aplic un tratament termic de clire i revenire medie, obinndu-se n acest mod o elasticitate mrit n toat masa materialului. Mrcile de oeluri pentru arcuri sunt standardizate.

Materialele neferoase se folosesc, de regul, la arcuri care lucreaz n cmpuri electrostatice, pentru care se dorete lipsa proprietilor magnetice. Cele mai utilizate materiale neferoase pentru arcuri sunt alama i bronzul, dar i anumite aliaje speciale (Monel, Inconel etc.).

Materialele nemetalice utilizate la arcuri sunt cauciucul, pluta etc.

Tehnologia de obinere a arcurilor depinde, cu precdere, de forma constructiv a acestora. Semifabricatele pentru arcuri elicoidale se prezint sub form de srme, bare, benzi etc.. Forma elicoidal se obine prin nfurare la rece (la arcuri cu seciune mic) sau prin nfurare la cald (la arcuri cu seciune mai mare). Tratamentul termic se efectueaz, n general, dup nfurare. La arcuri nfurate la rece, puin solicitate, tratamentul termic se poate face nainte de nfurare, urmnd ca dup nfurare s se efectueze doar operaii de revenire.

Calitatea suprafeei arcurilor este determinant pentru rezistena acestora la oboseal. n scopul creterii durabilitii arcurilor supuse la solicitri variabile, msurile care se iau sunt: rectificarea suprafeei arcului (dup tratamentul termic), durificarea stratului superficial (dac nu este posibil rectificarea), acoperirea suprafeei (pentru protecie mpotriva coroziunii), evitarea decarburrii suprafeelor n timpul tratamentului termic etc.

5.3. CARACTERISTICA ELASTICCaracteristica elastic a unui arc reprezint dependena dintre sarcina exterioar ( for sau moment de torsiune) care acioneaz asupra sa i deformaia elastic (sgeat sau rotire) pe direcia sarcinii. n funcie de tipul sarcinii exterioare, caracteristica elastic se poate exprima prin una din expresiile F = F() sau Mt = Mt(), n care reprezint deformaia liniar a arcului pe direcia forei F (sgeata), iar deformaia unghiular a arcului pe direcia momentului de torsiune Mt (rotirea). n fig. 5.1 sunt prezentate cele dou tipuri de caracteristici elastice liniare corespunztoare celor dou tipuri de sarcini exterioare.

Panta caracteristicii elastice a arcului indic rigiditatea c a arcului, care se detrmin cu una din relaiile (v. fig. 5.1):

Caracteristica elastic liniar este ntlnit doar la arcuri care lucreaz fr frecare, executate din materiale care respect legea lui Hooke. Aceste arcuri sunt caracterizate de rigiditate constant c = const.

O alt mrime care caracterizeaz funcionarea unui arc este energia de deformaie acumulat, egal, n absena frecrilor, cu lucrul mecanic al forei care a provocat deformaia. n fig. 5.1, suprafeele haurate reprezint lucrul mecanic de deformaie al arcului ncrcat cu fora F3 (v. fig. 5.1,a), respectiv cu momentul de torsiune Mt3 (v. fig.5.1,b). Expresiile lucrului mecanic de deformaie sunt:

respectiv

Fig. 5.1Dei arcurile cu caracteristic elastic liniar (rigiditate constant) sunt cele mai ntlnite, n practic se utilizeaz i arcuri cu rigiditate variabil, la care caracteristica elastic este neliniar (fig. 5.2).

Rigiditatea acestor arcuri se exprim prin una din relaiile:

Fig. 5.2Fig. 5.3

Caracteristicile cu rigiditate progresiv au panta cresctoare, iar caracteristicile cu rigiditate regresiv au panta descresctoare. Lucrul mecanic de deformaie al arcurilor cu caracteristica elastic neliniar se exprim sub una din formele (v. fig. 5.2):

Caracteristica elastic la descrcare se suprapune exact peste caracteristica elastic de la ncrcare doar dac nu exist frecri ntre elementele componente.Dac arcurile sunt realizate din mai multe elemente suprapuse (arcuri n foi, arcuri inelare, arcuri disc) sau dac arcul este realizat dintr-un material cu frecri interne considerabile (arcuri din cauciuc), caracteristica elastic (fig. 5.3) prezint o diferen ntre ncrcare i descrcare (aa-numitul histerezis). Lucrul mecanic absorbit de arc n timpul ncrcrii (suprafaa de sub caracteristica de ncrcare) este diferit de lucrul mecanic cedat de arc n timpul descrcrii (suprafaa de sub caracteristica de descrcare).

Diferena dintre aceste lucruri mecanice o reprezint lucrul mecanic consumat prin frecare (supraa nchis de bucla histerezisului), care se transform n cldur i nclzete arcul. Datorit acestui fenomen, arcurile care prezint o caracteristic elastic cu histerezis au capacitate mai mare de amortizare a ocurilor i vibraiilor.

5.4. ARCURI ELICOIDALE

Arcurile elicoidale se obin din srme sau bare de diverse profile, nfurate pe o suprafa directoare.

Arcurile elicoidale se clasific dup o serie de criterii, prezentate n continuare.

Dup forma seciunii spirei, arcurile elicoidale pot fi cu seciune rotund, cu seciune ptrat sau dreptunghiular, cu seciune profilat;

Dup forma suprafeei directoare, arcurile elicoidale se mpart n arcuri cilindrice, arcuri conice, arcuri dublu conice, paraboloidale, hiperboloidale, prismatice etc.

Dup modul de acionare a sarcinii, se deosebesc arcuri elicoidale de compresiune, de traciune i de torsiune.

Standardele reglementeaz, pentru arcuri elicoidale, clasificarea, terminologia i reprezentarea n desenul tehnic.5.4.1. Arcuri elicoidale cilindrice de compresiune

n fig. 5.4 sunt prezentate cteva soluii de arcuri elicoidale de compresiune, iar n fig. 5.5 sunt prezentate elementele geometrice ale arcurilor cilindrice elicoidale de compresiune cu seciunea spirei rotund (fig. 5.5, a) i dreptunghiular (fig. 5.5, b).

Fig. 5.4

a b c

Fig. 5.5Terminologia utilizat pentru arcurile elicoidale cilindrice de compresiune cu seciunea spirei rotund (aplicabil i la seciune dreptunghiular a spirei) este:

d - diametrul spirei;

Di - diametrul interior de nfurare;

Dm - diametrul mediu de nfurare;

D - diametrul exterior de nfurare;

t - pasul spirei;

H0 - lungimea arcului n stare liber;

(0 - unghiul de nclinare al spirei n stare liber.

Suprafeele de aezare ale arcurilor elicoidale de compresiune se prelucreaz plan, perpendicular pe axa arcului. Spirele de capt, prelucrate astfel, nu se deformeaz elastic.

Numrul total de spire, nt , ale unui arc elicoidal de compresiune se determin cu relaia nt = n + nr , n care n reprezint numrul de spire active (care particip la deformaia elastic a arcului), iar nr este numrul de spire de reazem (de capt), reglementat n standarde n funcie de numrul de spire active: nr = 1,5, dac n ( 7; nr = 1,5...3,5, dac n > 7.

Calculul de rezisten al arcului elicoidal cilindric de compresiune

Schema de calcul a arcului elicoidal cilindric de compresiune cu seciunea spirei rotund este prezentat n fig. 5.6. Fora F, care acioneaz n axa arcului, se descompune n dou componente:ab

Fig. 5.6

Fcos( - perpendicular pe planul spirei - determin solicitrile de torsiune (dat de momentul de torsiune) i de forfecare (dat de fora tietoare T = Fcos();

Fsin( - aflat n planul spirei - determin solicitrile de ncovoiere (dat de momentul de ncovoiere ) i de compresiune (dat de fora normal N=Fcos().

Deoarece unghiul de nclinare a spirei are valori mici (( = 69 o), deci cos( ( 1 i sin( ( 0, iar tensiunea de forfecare este neglijabil, n calcule se consider doar solicitarea de torsiune, cu momentul.

Tensiunea de torsiune care apare n spira arcului considerat de forma unei bare drepte este

Notnd cu indicele arcului, relaia tensiunii de torsiune poate fi scris sub forma

Deoarece distribuia tensiunii de torsiune nu este uniform pe circumferina spirei, avnd valori mai mari pe partea de la interiorul curburii (fig. 5.6, b), verificarea arcului la solicitarea de torsiune se efectueaz cu una din relaiile

i

n care k reprezint coeficientul de form al arcului, dependent de indicele i al arcului i se poate determina cu relaia

Pentru dimensionarea spirei arcului rezult:

sau .

Rezistenele admisibile la torsiune (at se aleg [] n funcie de materialul arcului, tratamentul termic aplicat, caracterul sarcinii (static sau oscilant), condiiile de funcionare, importana arcului n cadrul ansamblului din care face parte, lund valori n intervalul (at = 500800 MPa.

Calculul la deformaii al arcului elicoidal cilindric de compresiune

Calculul la deformaii (denumit i calcul de rigiditate) este un calcul specific arcurilor i const in determinarea deformaiei arcului corespunztoare unei anumite ncrcri.

Deformaia arcului elicoidal cilindric de compresiune (sgeata) este reprezentat de deplasarea punctului de aplicaie al forei care l ncarc, pe direcia acesteia. Prin desfurarea spirei arcului sub forma unei bare (fig. 5.7) a

Fig. 5.7de lungime l = (Dmn, deformaia este dat de lungimea arcului de cerc de-a lungul cruia se deplaseaz fora F. Rsucirea total a spirei arcului este

iar deformaia arcului este

sau

unde: n reprezint numrul de spire active, G modulul de elasticitate transversal i Ip momentul de inerie polar al seciunii spirei arcului.

Relaia de determinare a sgeii demonstreaz rolul determinant al indicelui arcului asupra elasticitii acestuia. Arcurile cu indice mare sunt elastice (uor deformabile), iar cele cu indice mic sunt rigide.

Caracteristica elastic

Fig. 5.8

n fig. 5.8 este prezentat caracteristica elastic a unui arc elicoidal cilindric de compresiune. Notaiile folosite n definirea acesteia sunt:

H 0 lungimea arcului n stare liber;

F1 sarcina iniial, de precomprimare (de montaj);

(1, H1 sgeata, respectiv lungimea arcului montat, pretensionat cu fora F1;

Fmax sarcina maxim de funcionare;

(max, Hmax sgeata, respectiv lungimea arcului sub aciunea forei Fmax;

h cursa de lucru a arcului;

Fb sarcina limit de blocare a arcului;

(b, Hb sgeata, respectiv lungimea arcului blocat (comprimat spir pe spir).

Datorit neuniformitii pasului spirelor, la ncrcare, unele spire intr n contact mai repede dect altele i, n consecin, poriunea final a caracteristicii devine progresiv. Pentru evitarea funcionrii pe aceast poriune neliniar a caracteristicii se recomand limitarea sarcinii maxime de funcionare Fmax ( (0,80,9) Fb.

Algoritm de proiectare

Dimensionarea unui arc elicoidal cilindric de compresiune se efectueaz att prin adoptarea unor parametri geometrici i funcionali ai acestuia, din considerente tehnologice i funcionale, ct i n urma calculelor de rezisten i la deformaii.

Datele de intrare generale sunt: forma seciunii spirei, sarcina maxim care ncarc arcul, sgeata maxim sau numrul de spire active sau rigiditatea impus i condiiile de funcionare.

Etapele de proiectare ale unui arc elicoidal cilindric de compresiune sunt prezentate n continuare.

1. Se alege materialul arcului n funcie de condiiile de funcionare i se stabilete rezistena admisibil la torsiune.

2. Se efectueaz calculul de rezisten, n urma cruia se determin diametrul d al spirei, care trebuie s corespund unei srme standardizate.

3. Se efectueaz calculul la deformaii alegndu-se sau adoptndu-se numrul de spire active astfel nct arcul s asigure condiiile de rigiditate i de gabarit impuse.

4. Se stabilesc dimensiunile geometrice ale arcului i parametrii corespunztori caracteristicii elastice.

5. Se ntocmete desenul de execuie, n conformitate cu rezultatele etapelor anterioare i cu prescripiile cuprinse n standarde.5.4.2. Arcuri elicoidale cilindrice de traciune

Arcul elicoidal de traciune preia o sarcin axial care tinde s l ntind. Sarcina se aplic prin intermediul unor ochiuri de prindere, de forma unor crlige realizate prin deformarea spirelor de capt ale arcului (fig. 5.9, a, b, c i d) sau prin intermediul unor piese separate (fig. 5.9, e i f).

a

b

c

d

e

f

Fig. 5.9 5.4.3. Arcuri elicoidale cilindrice de torsiuneArcurile elicoidale cilindrice de torsiune preiau un moment de torsiune aplicat pe direcia axei arcului. Forma acestor arcuri este asemntoare cu a arcurilor elicoidale cilindrice de compresiune, diferena fiind dat de construcia spirelor de capt, ndoite astfel nct s permit fixarea la un capt i aplicarea momentului de torsiune la cellalt capt.

Fig. 5.11

5.5. ARCUL BAR DE TORSIUNE a b

Fig. 5.14

a b c d Fig. 5.175.6. ARCURI SPIRALE PLANE

Fig. 5.185.7. ARCURI LAMELARE

a

b

c

d

Fig. 5.19

5.8. ARCURI INELARE

a

b

Fig. 5.215.9. ARCURI DISC

c

d

Fig. 5.22

5.10. ARCURI DIN CAUCIUC

Fig. 5.23 Arcuri bloc din cauciuc

Fig. 5.24 Arcuri cave din cauciuc

Fig. 5.25 Arcuri din cauciuc vulcanizat ntre elemente metalice

Probleme rezolvate

Arcuri elicoidale cilindrice de compresiune

1. S se proiecteze arcul elicoidal cilindric de compresiune, cu seciunea spirei circular, utilizat la o supap cu bil, cunoscnd: fora de montaj F1=40 N; fora maxim de lucru Fmax=75 N; cursa de funcionare a arcului h=2,5 mm; materialul arcului OLC 65 A STAS 795; indicele arcului i = 6.

Etape de calcul

Calculul de rezisten.

Dimensionarea arcului

mm,

unde:

i = 6, indicele arcului

, coeficientul de form al arcului

650 MPa, rezistena admisibil la torsiune, pentru OLC 65 A i d8 mm (tabelul A5.1)Se alege din STAS 892 (tabelul A5.2), d=11 mm, diametrul standardizat al srmei

Calculul la deformaii

Sgeata maxim a arcului

mm,

unde:

G=8,5.104 MPa, modulul de elasticitate transversala a materialului arcului

Se adopt n=3 spire active pentru arc

Rigiditatea arcului

N/mm

Elementele geometrice ale arcului

Se procedeaz la fel ca la problema 1

Probleme nerezolvate

1. S se dimensioneze arcul elicoidal de compresiune tiind c trebuie s preia o for maxim Fmax=1500 N, materialul arcului OLC 85 A, indicele arcului i=6.

2. S se determine diametrul srmei unui arc elicoidal cilindric de compresiune i rigiditatea acestuia cunoscnd: Fmax=1400 N; diametrul mediu de nfurare Dm=40 mm; numrul de spire active n=6; materialul arcului este oel carbon de calitate.

3. S se determine diametrul srmei arcului elicoidal de compresiune i sgeata acestuia tiind c fora maxim ce acioneaz asupra arcului este Fmax=4500 N. Se mai cunosc: materialul arcului 51 VCr 11 A; numrul de spire active n=8; indicele arcului i=7.

ANEXE

Tabelul A5.1

Oeluri pentru arcuri i caracteristicile acestora, STAS 795. Rezistene admisibile la torsiuneMarca oeluluiRezistena minim la rupere r (Rm), MPa Limita minim de curgere 02 (Rp02), MPaRezistena admisibil at, MPa

d ( 8 mmd > 8 mm

OLC 55 A1080880620600

OLC 65 A980780650600

OLC 75 A1080880680650

OLC 85 A1130980700650

51 VCr 11 A13201180680650

56 Si 17 A12701080630500

60 Si 15 A14701270680600

Tabelul A5.2

Srm rotund pentru arcuri. Dimensiuni nominale

Srm din oel carbon de calitate, STAS 893

Tratamentul termic aplicat: clire i revenire medie, nainte de infurare

Srmele din oel carbon de calitate se clasific, n funcie de rezistena la rupere n: RS srm cu rezistena sczut; RM srm cu rezistena medie; RR srm cu rezistena ridicat

d, mm0,550,600,700,800,901,01,11,21,3

1,41,51,61,71,82,02,22,42,5

2,83,03,54,04,55,05,56,07,0

Exemplu de notare a unei srme de arc de rezisten medie, cu diametrul de 2 mm

Srm RM 2 STAS 893

Srm din oel aliat, STAS 892

Tratament termic aplicat: clire i revenire medie, dup nfurare

Se livreaz In strile: TR trasrecopt; CTR cojittrasrecopt; TRS trasrecoptlefuit

d, mm3,03,23,53,64,04,55,05,55,6

6,06,57,08,09,0101112,5-

Exemplu de notare a unei srme rotunde livrat n starea cojittrasrecopt, cu diametrul de 5 mm

Srm rotund TRS 5 STAS 892

a

b

_1098445618.unknown

_1098446805.unknown

_1098447313.unknown

_1098450298.unknown

_1192859855.unknown

_1192861018.unknown

_1192952915.unknown

_1192859959.unknown

_1098452270.unknown

_1099129536.unknown

_1098452582.unknown

_1098450353.unknown

_1098447736.unknown

_1098447847.unknown

_1098447533.unknown

_1098447002.unknown

_1098447138.unknown

_1098446928.unknown

_1098446382.unknown

_1098446607.unknown

_1098446719.unknown

_1098446489.unknown

_1098446167.unknown

_1098446307.unknown

_1098445789.unknown

_1095582389.doc

,

2

1

2

1

2

c

F

L

_1098445096.unknown

_1098445492.unknown

_1098445528.unknown

_1098445289.unknown

_1098445004.unknown

_1098445037.unknown

_1098442283.unknown

_1098443517.unknown

_1095582400.doc

.

2

1

2

1

2

c

M

L

t

_1013319531.unknown

_1013763505.unknown

_1013763814.unknown

_1013763826.unknown

_1013763367.unknown

_1013404825.unknown

_1013319527.unknown

_1013319529.unknown

_1013319530.unknown

_1013319528.unknown

_1013319525.unknown

_1013319526.unknown

_1013319524.unknown

_1013319523.unknown