ASAMBLĂRI ELASTICE (ARCURI)

5.1. DEFINIRE, CLASIFICARE, DOMENII DE FOLOSIRE

Arcurile sunt organe de masini care realizeaza o legatura elastica între anumite piese sau subansamble ale unei masini. Prin forma lor si prin caracteristicile mecanice deosebite ale materialelor din care se confectioneaza, arcurile au capacitatea de a se deforma sub actiunea unei forte exterioare, preluând lucrul mecanic al acesteia si înmagazinându-l sub forma de energie de deformatie. La disparitia sarcinii exterioare, energia înmagazinata este restituita sistemului mecanic din care face parte arcul.

Clasificarea arcurilor se face dupa o serie de criterii, prezentate în continuare.

          Dupa forma constructiva, se deosebesc: arcuri elicoidale, arcuri bara de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri în foi, arcuri inelare, arcuri disc si arcuri bloc.

          Dupa modul de actionare a sarcinii exterioare, clasificarea se face în: arcuri de compresiune, arcuri de tractiune, arcuri de torsiune si arcuri de încovoiere.

          Dupa solicitarea principala a materialului, se deosebesc arcuri solicitate la torsiune, la încovoiere si la tractiune-compresiune.

          Dupa natura materialului din care este executat arcul, se deosebesc arcuri metalice si arcuri nemetalice.

          Dupa variatia rigiditatii, arcurile pot fi cu rigiditate constanta sau cu rigiditate variabila (progresiva sau regresiva).

          Dupa forma sectiunii arcului, se deosebesc arcuri cu sectiune circulara, inelara, dreptunghiulara, profilata sau compusa.

Domeniile de folosire ale arcurilor sunt vari 747e46h ate, cele mai importante fiind:

          amortizarea socurilor si vibratiilor (la suspensiile autovehiculelor, cuplaje elastice, fundatia utilajelor etc.);

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

          exercitarea unei forte permanente, elastice (la cuplajele de siguranta prin frictiune, ambreiaje prin frictiune etc.);

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

          masurarea fortelor si momentelor, prin utilizarea dependentei dintre sarcina exterioara si deformatia arcului (la cântare, chei dinamometrice, standuri de încercare etc.);

          modificarea frecventei proprii a unor sisteme mecanice.

5.2. MATERIALE sI TEHNOLOGIE            Materialele utilizate în constructia arcurilor se aleg astfel încât sa îndeplineasca o serie de conditii generale, cum sunt: rezistenta ridicata la rupere, limita ridicata de elasticitate, rezistenta mare la oboseala (uneori si rezistenta la temperaturi înalte, rezistenta la coroziune, lipsa proprietatilor magnetice, dilatatie termica redusa, comportare elastica independenta de temperatura etc.).

            Materialele feroase dedicate constructiei arcurilor sunt otelurile. Acestea pot fi oteluri carbon de calitate (OLC 55A, OLC 65A, OLC 75A, OLC 85A) sau oteluri aliate (cu Si, pentru rezistenta si tenacitate; cu Mn sau Cr, pentru calibilitate si rezistenta la rupere; cu V, pentru rezistenta la oboseala; cu Ni, pentru termorezistenta). Otelurilor pentru arcuri li se aplica un tratament termic de calire si revenire medie, obtinându-se în acest mod o elasticitate marita în toata masa materialului. Marcile de oteluri pentru arcuri sunt standardizate.

            Materialele neferoase se folosesc, de regula, la arcuri care lucreaza în câmpuri electrostatice, pentru care se doreste lipsa proprietatilor magnetice. Cele mai utilizate materiale neferoase pentru arcuri sunt alama si bronzul, dar si anumite aliaje speciale (Monel, Inconel etc.).

            Materialele nemetalice utilizate la arcuri sunt cauciucul, pluta etc.

            Tehnologia de obtinere a arcurilor depinde, cu precadere, de forma constructiva a acestora. Semifabricatele pentru arcuri elicoidale se prezinta sub forma de sârme, bare, benzi etc.. Forma elicoidala se obtine prin înfasurare la rece (la arcuri cu sectiune mica) sau prin înfasurare la cald (la arcuri cu sectiune mai mare). Tratamentul termic se efectueaza, în general, dupa înfasurare. La arcuri înfasurate la rece, putin solicitate, tratamentul termic se poate face înainte de înfasurare, urmând ca dupa înfasurare sa se efectueze doar operatii de revenire.

Calitatea suprafetei arcurilor este determinanta pentru rezistenta acestora la oboseala. În scopul cresterii durabilitatii arcurilor supuse la solicitari variabile, masurile care se iau sunt: rectificarea suprafetei arcului (dupa tratamentul termic), durificarea stratului superficial (daca nu este posibila rectificarea), acoperirea suprafetei (pentru protectie împotriva coroziunii), evitarea decarburarii suprafetelor în timpul tratamentului termic etc.

2.1. CALCULUL ARCURILOR LAMELARE

Se mai numesc si arcuri in foi. Ele pot fi folosite ca arcuri lamelare simple sau grupate, numite arcuri cu foi multiple.

2.1.1. Arcuri lamelare simple si drepte

Sunt arcuri lamelare alcatuite dintr-o singura lamela care neincarcata are forma dreapta.

Arcurile lamelare se fixeaza, de obicei, rigid la un capat, ceea ce inseamna ca sunt Incastrate si sunt incarcate la capatul liber cu o forta P. O alta forma de fixare este cu arcul sprijinit la ambele capete si incarcat la mijloc. Solicitarea principala a unui asemenea arc lamelar este incovoierea.

Clasificarea arcurilor lamelare se face din punct de vedere constructiv, tinand seama de:

. grosimea arcului, care poate fi constanta sau variabila;

. suprafata arcului, care poate fi: dreptunghiuIara, triunghiulara, trapezoidala, parabolica.

In figura 3 sunt prezentate principalele tipuri constructive de arcuri lamelare.

Fig. 3. Arcuri lamelare: a - arc lamelar dreptunghiular cu sectiune constanta; b - arc triunghiular cu sectiune constanta; c - arc trapezoidal cu sectiune constanta; d - arc cu sectiune constanta, solicitat la mijloc; e - arc parabolic cu grosime constanta: f - arc dreptunghiular cu sectiune variabila,

Pentru calculul arcurilor lamelare se considera cazul unui arc lamelar simplu cu grosime constanta si sectiune dreptunghiulara (fig. 4).

                                                         

                                                          Fig. 4. Schema de calcul pentru arcul lamelar

                                                  

Arcul lamelar de forma dreptunghiulara incastrat la un capat este cel mai frecvent intalnit.

 

 

Arcul fiind incastrat la un capat si incarcat la celalalt cu o forta F, este solicitat la incovoiere si in aceasta situatie vom avea:

Forta maxima pe care o poate suporta arcul deformandu-se elastic este:

                                      

Relatia de determinare a sagetii f  este:

                                        unde

E- modulul de elasticitate longitudinal;

I-momentul de inertie al sectiunii-pentru dreptunghi:

                                      

Inlocuind forta F  in relatia sagetii obtinem:

                                      

                                         

Lucrul mecanic acumunlat  la deformarea arcului este obtinut cu relatia:

                                         

unde  -volumul arcului,

-coeficient de utilizare volumetrica a arcului, ceea ce inseamna ca   din volumul arcului inmagazineaza lucru mecanic de deformatie.

Arcurile lamelare simple sunt utilizate ca elemente de apasare elastica (fig. 5) cu forte relativ mici pentru mecanismele aparatelor

Fig. 5  Utilizarea. arcului lamelar

 pentru mecanismul cu clichet

2.1.2. Arcuri lamelare cu foi multiple

Sunt utilizate atunci cand lungimea arcului este limitata de sageata data si se obtine o latime prea mare pentru lamela. De asemenea, se utilizeaza daca se urmareste realizarea unor forte de contact mai mari (fig. 6).

Fig. 6 Arc lamelar in foi multiple

Dispunerea foilor trebuie astfel realizata incat arcul intreg sa prezinte caracteristici apropiate de solidul de egala rezistenta la incovoiere, dar pentru evitarea frecarii este necesar ca fiecare lamela sa aiba toata libertatea de miscare.

 

 

 

Fig. 7 Arcuri In foi multiple: a - arc Incastrat la un capat; b - arc solicitat la mijloc; c - arc solicitat la un capat si fixat la celalalt si la mijloc; d - arcuri duble solicitate la mijloc; e - arcuri folosite la suspensia autovehiculelor

In fig. 7 sunt prezentate cateva arcuri cu foi standardizate folosite in constructia automobile1ar, a materialului rulant pentru cale ferata, dar si pentru ciocane pneumatice.

Arcurile prezentate in fig. 7 reprezinta diferite variante articulate sau rigidizate, ceea ce modifica si modul de lucru al acestora. Figura reprezinta o aplicatie a acestor arcuri la constructia autovehiculelor.

Pentru calculul arcurilor in n foi multiple (numarul lamelelor) , momentul incovoietor va fi:

considerand sectiunea unei lamele dreptunghiulare

                                          

Deoarece arcurile lamelare sunt standardizate, deci si dimensiunile acestora, se determina numai numarul de lamele si se verifica indeplinirea conditiei:

                                      

Daca foile sunt confectionate din otel de arc, atunci   = 4000 6000 daN/cm2.