CZ9901903A3 - Spojovací prvek k silovému spojení konstrukčních prvků - Google Patents

Description

Vynález se týká spojovacího prvku k silovému spojení konstrukčních prvků.

Dosavadní stav techniky

Silová spojení se často používají ve všech oblastech konstrukce strojů k přenášení příčných sil nebo kroutících momentů. Velikost sil, které se právě nechají přenášet, závisí vedle skutečností, daných konstrukcí, v první řadě na součiniteli adhezního tření (součiniteli tření) navzájem spojených povrchů konstrukčních prvků. Párování ocel/ocel vykazují typicky součinitele tření od. 0,15, což při přibývajících rostoucích požadavcích na konstrukční prvky často nestačí na bezpečné silové spojení. Opatření ke zvětšení tření, např. při spojeních smrštěním, jsou známa již z dřívějších dob konstrukce strojů: tak bylo již roku 1860 doporučováno, sypat písek do spojovací štěrbiny, aby se zlepšilo uložení ozubených kol na hřídelích. Zrna písku se přitom působením smršťovací síly vtlačují do povrchů součástí, které chceme spojovat, a způsobují určitý tvarový spoj s hloubkou proniknutí několik desetin milimetrů. V praxi je ale sotva možné rovnoměrně dopravit do spojovací štěrbiny volné, nebo do roztíratelných nosných médií

77390 (77390a.doc) • fc fcfc ·· fc··· fcfc fcfc'· • · fc fc » fc fc ·'· · • fcfc · · ··· fc 9 9 9 fcfc · ·; ♦ fc fc.*'fc| fcfcfc fcfcfc fc · fc. fc fc fc fc fc • fcfc·* fcfc ·· fcfc· fcfc ·· zabudované částice.

Tento způsob je principiálně účinný, účinek vrubů hrubších částic ve spojovací štěrbině s sebou ale nese silně zvýšené riziko únavových lomů. Pokud je takové riziko dáno právě panujícími provozními podmínkami, nesmějí být vtlačení do povrchů konstrukčních prvků, částic, použitých k přenášení síly, jmenovitě hlubší než hloubky nerovností, pocházejících z předcházejícího opracování.

Jsou známy různé způsoby, jak rovnoměrně a reprodukovatelně uskutečnit dopravení tvrdých částic do spojovací štěrbiny. DOS 23 64 275 z 10.07.1975 (odpovídá GB 1483124) popisuje, že na jednu ze dvou spolupůsobících ploch se napařováním, nastříkáváním, sintrováním nebo difúzí cizí látky nanáší do povrchu konstrukčního prvku vrstva, obsahující tělesa velmi tvrdého materiálu.

Peeken a kol. představují v ant-Antriebstechnik 20, č. 1 - 2, leden - únor 1981, povrchové vrstvy pro přenášení momentů silovým spojem, které se vyrábějí galvanotechnickou cestou pomocí společného vylučování jemných zrn velmi tvrdého materiálu s kovovou spojovací fází. Takovými vrstvami se adhezní tření při spojení hřídel - náboj kola smrštěním více než zdvojnásobí. Tyto vrstvy umožňují při zatížení ohybem za rotace ještě lepší hodnoty koeficientu tření než při čistě statickém zatížení.

Dosud popisovaná opatření ke zvýšení adhezního tření jeden z obou konstrukčních je přímo potažen vrstvou, vycházejí všechna z toho, že prvků, které chceme spojovat, zvyšující tření. V praxi ale často dochází k tomu, že žádaný potah se z technologických důvodů nemůže nanést na žádnou

77390 (77390a.doc) ·♦ Β· ·Β Β·Β» ΒΒ ΒΒ

ΒΒ»· ΒΒΒ ΒΒΒ Β • ΒΒ · · ΒΒΒ· ♦ Β · ·

Β · Β ·/ Β Β · ·) ΒΒΒ · · · ββΒββ β β β

ΒΒ·· ΒΒ ΒΒ ΒΒΒ Β'Β ΒΒ z obou komponent.

Patent CH-PS 192 197 ukazuje papír nebo plátno jako ohebný nosný materiál pro vrstvu, obsahující oboustranně nanesená zrna velmi tvrdého materiálu. Jako účinný mechanismus pro zvýšení adheze se popisuje mechanické posunutí klínovitých částic velmi tvrdého 'materiálu přes sebe pomocí relativního pohybu konstrukčních prvků, které chceme spojovat. Také JP 6-147206 ukazuje papír nebo plátno jako ohebný nosný materiál pro zrna velmi tvrdého materiálu. Spojovací prvky, uvedené ve spisech, nejsou s to, přenášet vysoké příčné síly. Proto jsou pro mnohá použití nevhodná.

DE 31 49 596 Al ukazuje spojení, které se zhotovuje při použití hrubých těles velmi tvrdého materiálu. Popisuje se použití elastické nosné folie z tvárného materiálu, která sama se na přenosu síly nepodílí. Toto spojení je nevýhodně nerozebíratelné a neumožňuje tedy žádné reverzibilní spojení obrobků, které chceme spojovat.

Předložený vynález má za úkol, dát k dispozici spojení obrobků, které chceme spojovat, které zvyšuje tření, je reverzibilní a bez vůle a které zabraňuje nevýhodám stavu techniky.

Podstata vynálezu

Tento úkol se podle vynálezu řeší spojovacím prvkem, který se vyznačuje tím, že se skládá z tenké, pružné folie s vlastní pevností, která je alespoň právě tak vysoká, jako vlastní pevnost obrobků, které chceme spojovat, přičemž pružná folie nese na svém povrchu částice definované

77390 (77390a.doc)

X ·Φ ΦΦ ΦΦ ···· ΦΦ ·*

- 4 “ · · · · φφφ φφφφ • · · * ΦΦ'#· · «φ φ φ φ φφ· φ φ ·. φφφ φφφ φφφφφ φ φ φ φφφφ φφ φφ φφφ φφ φφ velikosti, a tyto částice se skládají z materiálu o pevnosti v tlaku a smyku, která přesahuje pevnost materiálu obrobků, které chceme spojovat.

Částice z materiálu o pevnosti v tlaku a smyku, která přesahuje pevnost materiálu součástí, které chceme spojovat, se v dalším označují jako tvrdé částice. Tenkými foliemi se přednostně rozumí folie o tloušťce 0,2 mm.

Spojovací prvek podle vynálezu, dále nazývaný také adhezní folie, má oproti známým silovým spojením následující výhody:

nevyskytují se obtíže, spojené s částečným potažením větších nebo rozměrných konstrukčních prvků, umožňuje reversibilňí spojení konstrukčních prvků, které nepřicházejí do úvahy pro přímé potahování, také v případech, kdy se vyskytují velké příčné síly. součinitel tření silových spojení se zvyšuje o alespoň 50 %, zpravidla dokonce o 100-200 %. nechá se hospodárně vyrobit.

nechá se snadno přizpůsobit i spojovaným plochám, které jsou tvarované komplikovaně nebo nejsou rovné, nevyžaduje žádné zvláštní dodatečné náklady na montáž.

Tvrdé částice se přednostně Skládají z materiálu, který při příslušných podmínkách použití chemicky nereaguje ani s materiály spojovaných součástí, ani s okolními médii. Přednostně se přitom jedná o minerální materiál.

Tvrdé částice jsou zvláště přednostně vybrány ze skupiny velmi tvrdých materiálů. Příkladem velmi tvrdých materiálů jsou karbidy jako SiC, WC a B₄C, nebo nitridy jako Si₃N₄ a krychlový BN nebo boridy nebo SiO₂ nebo AL₂O₃ nebo

77390 (77390a.doc) ί- l3ol ·· • 9 9 0

0 0 0

000 «00

0 >0 00

·

0 • 0 •0 0000 0 · • 0 0 9··

0000 09 diamant.

Velikost tvrdých částic je třeba volit tak, že poškození spojovaných ploch vtlačením částic nedosahuje nepřípustného rozsahu. Toto je přednostně zajištěno tehdy, když průměr částic neobnáší víc než trojnásobek hloubky nerovnosti, pocházející od obrábění spojovaných ploch. Tento požadavek obecně splňuje velikost částic s maximálním průměrem 0,1 mm.

Zvláště výhodně se používají tvrdé částice s maximálním průměrem 15 pm.

V ideálním případě by byly použité tvrdé částice všechny stejně velké. V přednostní oblasti velikosti zrn se ale toto nenechá technicky realizovat. Některé z výše uvedených velmi tvrdých materiálů se nechají běžně obstarat na trhu ve formě velmi úzkého souboru zrnitostí, u kterého není rozptyl kolem udávaného jmenovitého průměru větší než ± 50 %. Toto je případ zvláště diamantu a kubického BN, v omezené míře také Al₂O₃, SiC nebo B₄C. Takové zrnitosti jsou přednostně vhodné jako tvrdé částice v konstrukčním prvku podle vynálezu. Z oblasti průměrů až do 15 pm, považované za příznivou, se volí přednostně zrnitosti se středním průměrem 6 pm nebo 10 pm.

Počet tvrdých částic na jednotku plochy kontaktních ploch konstrukčních prvků, které chceme spojovat, je třeba volit přednostně tak, že normálová síla, která je k dispozici pro spojování konstrukčních prvků, postačuje, aby zaručila vtlačení částic do protilehlé plochy. Toto bude obecně ten případ, když není potaženo tvrdými částicemi více než 30 % adhezní folie.

77390 (77390a.doc)

33-^3í>s ·· ·· • · · · • ·· • 9 · • · · ···· ee ·· ···· • · · >

• · ··· • · · · • » · ·· ··· ·· ·· • · · · • · · · ·«· ··· « · ·· ··

Malé potažení vede k úplnému vtlačení tvrdých částic a tím ke kovovému kontaktu spojovaných ploch s nebezpečím tvorby tzv. rzi vzniklé při lícování, což může způsobit pokles možných přenášených sil. Toto nastává tehdy, když adhezní folie má o hodně menší než 3% potažení částicemi.

Adhezní folie se přednostně provádějí tak, že částice v nich uložené pokrývají 5 až 15 % adhezní folie.

Tenká ohebná folie s vlastní pevností velkou alespoň tak, jako vlastní pevnost spojovaných obrobků, je přednostně vytvořena jako pás z kovového materiálu, např. jako za studená válcovaný pružný pás, na kterém jsou pomocí spojovací fáze fixovány tvrdé částice.

Spojovací fáze se přitom nanáší přednostně pomocí galvanotechnického způsobu na tenkou ohebnou folii. Taková vícevrstvá adhezní folie je znázorněna na obr. 1. Tvrdé částice se dotýkají vždy jenom jedné z ploch, které chceme spojovat, a síla se přenáší pomocí dostatečné vlastní pevnosti mezivrstvy.

U vysoce namáhaných silových spojení se jedná obecně o kovové konstrukční prvky, převážně ze slitin železa, takže požadavek po dostatečné pevnosti nosného materiálu je splňován v podstatě rovněž jenom ocelí. Další požadavky po schopnosti potahování, rovinnosti, planparalelnosti, ohebnosti a pružnosti jsou uspokojivě splňovány pásovou ocelí, zejména pásovou pružinovou ocelí. Pro přednostní formy provedení oboustranně potažené adhezní folie se tedy používá, na trhu běžná, nelegovaná pásová pružinová ocel, přednostně o tlouštice 0,1 mm.

77390 (77390a.doc) • · • ·

9

Fixování částic, přenášejících sílu, na nosném materiálu, musí být dostatečně stabilní, aby se příčné síly, které je možno očekávat, daly bezpečně přenášet. K tomu potřebná spojovací fáze musí tedy stejně jako nosný materiál mít pevnost, která odpovídá alespoň pevnosti spojovaných ploch.

Pro nanášení spojovací fáze s tvrdými částicemi se používají různé, v technice nanášení běžné, způsoby. Tak se může například organický materiál, například lak, ve kterém je homogenně dispergováno potřebné množství částic, v nej jednodušším případě nanést pomocí stěrky na povrch nosného materiálu, aby se tam vytvořil tenký rovnoměrný film, ze kterého po uschnutí přečnívají částice. Protože se při stavbě strojů používají převážně kovové konstrukční prvky, je pevnost organické spojovací fáze většinou nedostatečná. Zpravidla se proto musí pro fixování tvrdých částic na povrchu nosného materiálu volit kovová spojovací fáze.

Velmi tvrdý materiál/kovová vrstva se přitom přednostně zhotovuje galvanotechnickým způsobem, např. pomocí poniklování bez vnějšího proudu (= chemického). Takové způsoby jsou známé a jsou popsány v již uvedené literatuře. Vrstvy niklu, chemicky nanášené na pružný ohebný materiál, se mohou tepelným zpracováním do cca. 400 °C vytvrdit, čímž se zlepšuje přilnavost k ohebnému materiálu a zvyšuje se vlastní tvrdost vrstvy.

Konstrukční prvky podle vynálezu se v podstatě mohou používat jako adhezní folie u každého druhu silových spojení v celé obecné konstrukci strojů, zejména tehdy, když

77390 (77390a.doc)

Cfl flfl ·· ···· ·· ·« • · · · flflfl • fl··· · flfl fl

nepostačují síly, které se nechají přenášet povrchy konstrukčních prvků, které jsou k dispozici na základě konstrukce. Toto může nastat zejména u spojení sevřením nebo lisováním za přítomnosti maziv, ale obecně se týká také suchého párování.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1: Výroba spojovacího prvku podle vynálezu

Spojovací prvek je kotouč ,ve tvaru prstence z oboustranně potažené 0,1 mm silné ocelové folie. Potah, který zvyšuje adhezi, je z diamantových částic o středním průměru 6 μπι ve spojovací fázi z chemického niklu o tloušťce vrstvy 4 μπι. Hustota obsazení povrchu folie diamantovými částicemi je 7 % plochy.

K výrobě tohoto spojovacího prvku se nejprve vysekávají prstencovité kotouče o požadovaných rozměrech z nepotaženého, 0,1 mm silného pružinového ocelového plechu. V podstatě je sice možné, takové kotouče zhotovovat také z plechu již oboustranně opatřeného potahem, zvyšujícím adhezi, ale vzniká přitom hodně drahý odpad kvůli prořezu. Obvykle se zároveň zpracovává větší počet kotoučů zároveň.

Předem připravené kotouče se nasouvaj i na vhodné držáky a podle obecných pravidel galvanotechniky se předupravují odmaštěním, leptáním a aktivováním.

Nosiče na zboží s kotouči se potom potápějí do chemické niklové lázně, ve které je dispergován diamantový prášek o středním průměru částic 6 μπι. Množství dispergovaného

77390 (77390a.doc) ·« diamantového prášku se volí tak, že při parametrech, panujících v nanášecí lázni (pohyb lázně, rychlost pokovování) dosahuje žádoucí podíl diamantu ve vylučované kovové vrstvě žádané tloušťky, o trochu větší než polovina průměru diamantových částic. Při běžných podmínkách způsobu obnáší doba ponoření přibližně 15 minut.

Nosič na zboží s nyní potaženými kotouči se potom vyjímá z potahovací lázně a čistí se v ultrazvukové lázni, aby se odstranily diamantové částice, které ulpívají pouze volně.

Vyčištěné kotouče se potom snímají z nosiče na zboží a podrobují se tepelnému zpracování po dobu 2 hodin při alespoň 150 °C. Toto zpracování zlepšuje přilnavost chemické vrstvy niklu na ocelové folii, jakož uložení částic ve vrstvě.

Příklad 2: Použití spojovacího prvku podle příkladu 1

Setrvačnou hmotu z šedé litiny je možno upevnit na rotujícím hřídeli ze zušlechtěné oceli. Tvarové spojení pomocí klínu se nenechá realizovat, protože přesné polohování se uskuteční teprve během montáže. Upevnění se uskutečňuje pomocí centrálního šroubu, který umožňuje normálovou sílu o velikosti 16 000 N. Přítomnost maziv na kontaktních plochách není nutno vyloučit. Požadovaný přidržovací moment je 500 Nm, dosahuje se ale jenom 3 50 Nm (za sucha), popř. 240 Nm (za přítomnosti maziva).

Vložením spojovacího prvku podle příkladu 1 při normálové síle 16 000 N, která je k dispozici, dosahuje

77390 (77390a.doc)

9 ·9 ·· ···· 9 9 9 9

9 9 9 · 9 9 9999

999 9 9999 9 99 9

9 999 '· 9 9 999 999

9 9 9 9 9 9·. 9

9999 99 99 999 99 99 přídržovacího momentu 540 Nm. Aby se při dané- konstrukci umožnilo vložení folie, musí se tato pružně ohnout.

Zastupuje:

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spojovací prvek k adhezi zvyšujícímu, reverzibilnímu spojení, bez vůle, obrobků, které chceme spojovat, vyz naču jící se tím, že se skládá z tenké pružné folie s vlastní pevností, která je alespoň tak vysoká, jako vlastní pevnost obrobků, které chceme spojovat, přičemž pružná folie nese na svém povrchu částice definované velikosti, a tyto částice se skládají z materiálu o pevnosti v tlaku a smyku, která přesahuje tyto pevnosti obrobků, které chceme spojovat.
2. 2. Spojovací prvek podle nároku 1, vyznačující, se tím, že součásti se skládají z materiálu, který za příslušných podmínek použití chemicky nereaguje ani s materiály konstrukčních prvků, které chceme spojovat, ani s okolními médii.
3. 3. Spojovací prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že částice jsou vybrány ze skupiny velmi tvrdých materiálů.
4. 4. Spojovací prvek podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že částice mají průměr, který nepřesahuje více než trojnásobně hloubku drsnosti spojovaných ploch, vzniklé opracováváním spojovaných ploch.
5. 5. Spojovací prvek podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že rozptyl částic okolo daného jmenovitého průměru není víc než + 50 %.

   16 77390 (77390a.doc) • · · φ '· · ί ► · ·

   Φ ·1 φ φ

   9 9 99 9
6. 6. Spojovací prvek podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že počet částic na j ednotku plochy kontaktních ploch konstrukčních prvků, které chceme spojovat, je volen tak, že ke spojení konstrukčních prvků stačí normálová síla, která je k dispozici, aby se zaručilo vtlačení částic do protilehlé plochy.
7. 7. Spojovací prvek podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že ne více než 30 % a ne méně než 3 % adhezní folie je potaženo tvrdými částicemi.
8. 8. Spojovací vyznačující se adhezní folie.

   prvek podle některého^ z nároků tím, že částice pokrývají 5

   1 až 7, až 15 %
9. 9. Spojovací prvek podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že tenká pružná folie je vytvořena jako pás s dostatečnou vlastní pevností, na kterém jsou pomocí spojovací fáze fixovány tvrdé částice.
10. 10. Způsob výroby spojovacího prvku podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že na tenkou pružnou folii s vlastní pevností, která je alespoň stejně vysoká jako vlastní pevnost obrobků, které chceme spojovat, se pomocí známého, v technice nanášení běžného způsobu, nanášejí částice definované velikosti, skládající se z materiálu o pevnosti v tlaku a smyku, přesahující pevnost obrobků, které chceme spojovat, takovým způsobem, že pevnost spojení pružná folie/částice postačuje pro přenos síly mezi obrobky, které chceme spojovat.