MECANISM CU SURUB SI PIULITA

TEMA DE PROIECT

Fig. 1 Schema mecanismului

Date de intrare:

- Forta din piesa: Fp = 2100 N;

- Forta din arc: Fe=250 N

- Pentru semifabricat:

-                      Inaltimea semifabricatului: h=150 mm

-                      Diametrul semifabricatului: d=100 mm

- Coeficientul de frecare: µ = 0,2 N;

INTRODUCERE

Mecanismele cu surub si piulita se utilizeaza pentru trnsformarea miscarii de rotatie in miscare de translatie sau invers in conditii de transmitere a unor sarcini sau avand numai rol cinematic.

Utilizarea mecanismelor cu suruburi de miscare in constructia de masini se datoresc avantajelor pe care le prezinta si anume:

- consructia simpla si tehnologia de executie usor realizabila;

- posibilitatea de transmitere a unor sarcini axile mari utilizand forte de actionare mici;

- raport mare de transmitere care duce la viteze mici;

- compactitatea constructiei si gabarit redus;

- functionare lina si fara zgomot;

- posibilitatea de a asigura in mod simplu autofranarea;

- permite utilizarea materialelor ieftine;

- pret de cost scazut.

Intre neajunsurile mecanismelor cu suruburi de miscare se mentioneaza:

- existenta unei frecari mari intre spirele filetului surubului si piulitei care conduce la uzura pieselor si la un randament scazut;

- prezenta unor puternici concentratori de tensiune in zona filetata af 222b17c ecteaza rezistenta la oboseala a surubului;

- lipsa autoconcentrarii;

- necunoasterea exacta a fortelor de strangere.

Tipuri de filete utilizate la suruburile de miscare.

Pentru suruburile de miscare se utilizeaza in exclusivitate filetul cilindric cu profil patrat, trapezoidal, ferastrau, si rotund executate cu pas normal, fin sau mare.

Pasul fin si normal asigura conditia de autofranare. Pasul fin micsoreaza deplasarile axiale la o rotatie completa, reduce adancimea filetului marind diametrul interior si implicit rezistenta surubului. Deosebirea dintre filetul cu pas normal, mare si fin la acelasi diametru nominal consta in modificarea diametrului interior si a unghiurilor de inclinare. Pasul filetului cu mai multe inceputuri Ph se defineste in functie de pasul filetului cu un singur inceput si de numarul de inceputuri (n), Ph=n·P (P fiind pasul filetului cu un singur inceput).

Filetele cu un pas fin au un randament mai scazut. Randamentul suruburilor de miscare creste la cele care se executa cu pas mare sau cu mai multe inceputuri, cresterea fiind determinata si de alegerea corecta a cuplului de materiale, de precizia de executie si de calitatea suprafetelor in contact.

1                  Calculul si proiectarea surubului si piulitei

1.1            Calculul si proiectarea surubului

1.1.1       Alegerea profilului filetului

Figura 1.1 Filetul trapezoidal

Se opteaza pentru filetul trapezoidal. Filetul trapezoidal are profilul de forma unui trapez rezultat din tesirea unui triunghi isoscel cu unghiul la varf de 30° si baza egala cu pasul. Flancul filetului are o inclinare de 15°. Filetul trapezoidal este standardizat (STAS 2114/1-75) si se executa cu pas fin, normal si mare. In conformitate cu aceasta reglementare un filet trapezoidal cu diametrul nominal 20 [mm] si pasul de 4 [mm] se noteaza:

Tr 20×4

Filetul trapezoidal are o rezistenta si o rigiditate mai mare ca filetul patrat. Folosirea piulitei reglabile radial permite eliminarea jocului axial creat in urma uzarii flancurilor, avantaj care impune filetul trapezoidal ca principala solutie pentru mecansimele surub-piulita. Filetul trapezoidal asigura o buna centrare intre surub si piulita si se poate executa prin procedeul de frezare.

In cazul mecanismelor cu surub si piulita care transmit sarcini mari, in ambele sensuri, directia fortei fiind variabila (sau cu soc) , se recomanda utilizarea filetelor trapezoidale.

1.1.2       Alegerea materialului surubului si piulitei

Avand in vedere ca la presele manuale viteza relativa dintre flancul surubului si cel al piulitei este redus, nu se impune durificarea superficiala a flancurilor filetului surubului. Se poate opta deci pentru oteluri carbon OL50 sau OL60. Pentru piulita se pot alege materiale care sa inlocuiasca bronzurile, de exemplu fonta cu grafit nodular sau fonte antifrictiune.

Tinand seama de cele mentionate mai sus, pentru surub vom opta pentru otel carbon OL50 (STAS 500/2-80), iar pentru piulita Fgn 400-12 (STAS 6071-75).

Principalele caracteristice ale otelurilor carbon OL50 (STAS 500/2-80) sunt:

Solicitari cu concentratori de tensiune:

- rezistenta la tractiune :

- rezistenta la incovoiere :

- rezistenta la rasucire :

- rezistenta la forfecare :

Solicitari fara concentratori de tensiune:

- tractiune :

- incovoiere :

- rasucire :

- forfecare :

Caracteristicile mecanice:

- rezistenta la tractiune :

- limita de curgere :

- alungirea la rupere :

Caracteristicile mecanice ale fontei Fgn 400-12 (STAS 6071-75) sunt:

Solicitari cu concentratori de tensiune:

- rezistenta la tractiune :

- rezistenta la compresiune :

- rezistenta la incovoiere :

- rezistenta la rasucire :

- rezistenta la forfecare :

Solicitari fara concentratori de tensiune:

- rezistenta la tractiune :

- rezistenta la compresiune :

- rezistenta la incovoiere :

- rezistenta la rasucire :

Caracteristicile mecanice:

- rezistenta minima la tractiune :

- limita de curgere :

- duritatea Brinell : HB

- alungirea la rupere :

1.1.3       Calculul diametrului mediu al filetului

Diametrul mediu al filetului se determina cu relatia (1) obtinuta din conditia de trezistenta a filetului la strivire:

(1.1)

Unde: Fs − forta axiala, [N];

− factorul lungimii filetului piulitei, = 1,2 2,5;

− factor dimensional, = 0.5 la filete trapezoidale;

qa − rezistenta admisibila la strivire, [N/mm2].

Figura 1.2 Solicitarile semifabricatului

Ecuatia de echilibru a momentelor:

Unde:

Diametrul mediu al filetului, in [mm]:

Din tabel, pentru surubul cu filet trapezoidal si diametrul mediu d2=18 [mm], se aleg:

- Diametrul nominal: d = 20 [mm];

- Pasul: P =4 [mm];

- Diametrul interior: d3 = 15,5 [mm];

1.1.4       Alegerea numarului de inceputuri

La cricuri se impune realizarea autofranarii, deci filetul se executa cu un inceput.

La presele manuale nu se pune conditia autofranarii. Dimpotriva actionarea lor fiind frecventa se impune alegerea unui numar de inceputuri n=2 sau n=3 pentru cresterea randamentului si a productivitatii. Cu toate acestea am optat pentru un filet cu 3 inceputuri.

In urma calculelor si alegerii numarului de inceputuri avem un surub notat astfel:

Tr 20x12(P4)

1.1.5       Verificarea autofranarii

La cricuri autofranarea se verifica cu relatia:

(1.2)

in care: este unghiul de inclinare a elicei pe cilindrul de

diametru d2; este unghiul de frecare;

Unde: - coeficient de frecare pentru cuplul de materiale si calitatea ungerii (=0,10,15);

α1 - unghiul de inclinare a flancului filetului ( la filet trapezoidal α1=15s; la filet ferastrau α1=3s).

Rezulta : 4,04 < 5,91 deci conditia de autofranare este verificata.

1.1.6       Calculul numarului de spire in contact

Din expresia factorului se deduce numarul de spire z:

(1.3)

1.1.7       Calculul lungimii filetului surubului

;

Unde: h - este cursa maxima in (mm) h = 70 [mm];

m - lungimea filetului piulitei in (mm) m= 28,8 [mm];

P - pasul filetului in (mm) P = 4 [mm];

.

1.2            Verificarea surubului

1.2.1       Verificarea tijei la solicitari compuse

Efortul unitar echivalent:

(1.4)

unde efortul unitar normal , respectiv cel tangential se calculeaza astfel:

;

;

Se obtine: .

Unde: Mt1 – moment de torsiune, care se calculeaza cu relatia (2.2).

1.2.2       Verificarea spirelor surubului

Pentru a determina daca spirele surubului vor rezista in timpul solicitarilor, spirele trebuiesc verificate la urmatoarele tipuri de solicitari :

- strivire:

Unde: H1 - inaltimea utila; H1 = 0,5P = 0,5·4 = 2 [mm] pentru filetul ales.

Din calcul se obtine

- incovoiere:

Unde: ac - jocul la fund; ac = 0,25 [mm], pentru filetul ales si pasul cuprins intre 2 si 5 [mm];

h - grosimea spirei la baza; h = 0,634P = 0,634·4 = 2,536 [mm], pentru filetul ales.

Din calcul se obtine

- forfecare: ,obtinand o valoare de

Aceste valori obtinute prin calcul se compara cu valorile maxime admisibile ale materialului folosit pentru surub si se observa ca spirele rezista.

Figura 1.3 Spirele surubului. Verificare

1.3            Dimensionarea piulitei

Figura 1.4 Piulita rotitoare

Dupa cum s-a observat deja anterior piulita are o inaltime filetata de z = 7,2 [mm] plus o parte superioara unde nu mai avem filet interior, dar pe exterior se vor monta roata de clichet, manerul si inelul care ii fixeaza, diametrul interior Di=20 [mm] acesta fiind de fapt diametrul exterior al surubului de forta. Piulita se va fabrica dintr-un material inferior calitativ celui ales pentru surubul de forta pentru a fi predispusa la uzura comparativ cu surubul de forta.

Diametrul exterior:

;

Unde: gp – grosimea peretelui piulitei;

Diametrul gulerului:

Inaltimea gulerului:

.

1.3.1       Calculul lugimii filetului piulitei

(1.5)

1.4            Verificarea piulitei

1.4.1       Verificarea corpului piulitei la solicitarea compusa

Pentru a verifica corpul piulitei trebuie sa verificam rezistenta acesteia la eforturile normale si tangentiale care apar la incarcarea mecanismului.

Astfel pentru eforturile normale vom calcula:

(1.6)

Unde: De si Di sunt diametrele exterior, respectiv interior al piulitei, si se obtine o valoare de

.

Pentru eforturile tangentiale se va folosi formula:

(1.7)

de unde se va obtine .

Pentru sectiunile solicitate compus, efortul unitar echivalent are expresia:

 .

1.4.2       Verificarea gulerului piulitei

Pentru a determina daca gulerul piulitei va rezista in timpul solicitarilor, gulerul trebuie verificat la urmatoarele tipuri de solicitari :

- strivire: ;

Din calcul se obtine

- incovoiere: ;

Din calcul se obtine

- forfecare: ;

Din calcul se obtine

2                  calculul mecanismului de actionare

Figura 2.1 Mecanism de actionare

2.1            Calculul manivelei

2.1.1       Lungimea manivelei

Lungimea manivelei se determina in functie de momentul de torsiune total care trebuie sa fie realizat de catre muncitor la actionarea cricului sau a presei:

(2.1)

Unde: Lc − lungimea de calcul a manivelei, [mm];

L − lungimea efectiva a manivelei, [mm];

l0 − lungimea necesara prinderii manivelei, [mm] si anume:

l0=50 mm,pentru un muncitor;

l0=100 mm, pentru doi muncitori;

Mtot = Mt1+Mt2, la cricul simplu, cricul cu piulita rotitoare si la prese, [N·m];

(2.2)

(2.3)

ni − numarul de muncitori care actioneaza cricul;

K − coeficientul de nesimultaneitate, care are valorile:

K=0,8, pentru ni=2;

K=1 , pentru ni=1;

Fm =150350 N, forta cu care actioneaza un muncitor.

2.1.2       Determinarea diametrului manivelei si a prelungitorului

Din solicitarea de incovoiere rezulta diametrul d5 (sectiunea A-A, Figura 1.1):

(2.4)

Unde: Lm= (0,25…1) Lc+l0 = 0,3Lc+l0=95,6 [mm];

σai = 100…120 [N/mm2] pentru otelurile carbon obisnuite si oteluri carbon de calitate.

Astfel, din calcule, rezulta care se considera constructiv d5 = 6 [mm] unde diametrul D, care este diametrul exterior

al tevii se calculeaza cu formula , si rezulta o valoare egala cu

. Pentru prelungitor se alege teava standardizata cu diametrul exterior

egal cu diametrul interior al manerului, .

2.1.3       Verificarea manivelei

Manivela mecanismului de actionare cu clichet orizontal se verifica la incovoiere in sectiunea A-A, cu relatia:

(2.5)

si se obtine o valoare de

.

2.2             Calculul rotii de clichet

2.2.1       Stabilirea dimensiunilor

Figura 2.2 Roata de clichet

Roata de clichet se va fixa pe piulita printr-un contur patrat al gaurii interioare. Lungimea laturii poligonului este a =25 mm. Pentru stabilirea diametrului interior se foloseste formula

(2.6)

Unde: De este diametrul exterior al piulitei.

Astfel . S-a ales un numar de z = 14 dinti pentru roata de clichet. Diametrul mediu, pe care se vor dispune dintii rotii, se va obtine cu relatia:

(2.7)

si rezulta .

Pentru a putea obtine profilul exact al rotii de clichet trebuie sa determinam grosimea dintilor, distanta dintre centrele a doi dinti alaturati si inaltimea dintilor.

Astfel distanta dintre centrele a doi dinti alaturati este:

(2.8)

si rezulta .

De aici se determina grosimea dintelui cu valoarea

, si inaltimea dintelui care este , adica

.

Diametrul exterior al rotii de clichet se poate calcula stiind inaltimea dintelui si este

(2.9)

(se aduna de doua ori h, pentru ca diametrul creste cu lungimea a doi dinti) si rezulta

.

Latimea rotii de clichet se considera constructiv [mm].

2.2.2       Verificarea rotii de clichet

Dintii rotii de clichet se verifica la trei tipuri de solicitari:

- incovoiere: si rezulta o valoare de

;

- forfecare: si rezulta

- strivire (a suprafetei de contact dintre dintele rotii si clichet) si se

obtine .

Suprafata de contact dintre roata de clichet si piulita pe care aceasta se monteaza este solicitata la strivire. Efortul unitar pe aceasta suprafata se va determina cu relatia:

(2.10)

Unde: n1 - depinde de forma gaurii de fixare din roata de clichet. (n1=4 pentru forma patrata si n1= 6 pentru forma hexagonala).

Se obtine .

2.3            Calculul clichetului

Figura 2.3 Clichetul orizontal

Dimensiunile clichetului orizontal se determina in functie de dimensiunile rotii de clichet:

(2.11)

Luam

(2.12)

Din calcul obtinem:

(2.13)

Se obtine:

2.4            Calculul boltului

Figura 2.4 Bolt

Diametrul boltului se determina din solicitarea de incovoiere:

  (2.14)

Unde: sarcina care actioneaza pe dintele rotii de clichet ;

Din calcul obtinem

Boltul se verifica la doua tipuri de solicitari:

- forfecare: si rezulta:

.

- presiune de contact: si rezulta

.

2.5            Calculul arcului c ilindric elicoidal de compresiune

Figura 2.5 Arcul elicoidal cilindric de compresiune

Calculul arcului elicoidal cilindric de compresiune, care mentine clichetul orizontal in contact cu dintele rotii de clichet se face urmarind succesiunea si cu relatiile de calcul urmatoare:

- Diametrul spirei: d = 0,81,5 [mm];

- Indicele arcului: i =810;

- Diametrul de infasurare: Dm = i∙d = 9∙1 = 9 [mm];

- Coeficientul de forma: K = 1,17 pentru i = 9;

- Forta de montaj; Fal = 2,55 [N]; Luam Fal = 4 [N];

- Numarul de spire active: n = 48. Luam n = 6;

- Numarul total de spire: nt = n + nr; nr = 1,5 (numarul spirelor de reazem); nt = 6 +1,5 = 7,5;

- Sageata de montaj: ;

- Sageata maxima: ; s-cursa de lucru a arcului;

;

- Sarcina maxima de exploatare: ;

- Lungimea arcului blocat (spira pe spira): Hb = nt ∙ d =7,5∙1 = 7,5 [mm];

- Pasul arcului nesolicitat: ;

(jocul dintre spire);

;

- Lungimea arcului nesolicitat: H0 = Hb +n(t-d) = 7,5+6(1,61-1) = 11,18 [mm];

- Diametrul exterior: D = Dm+d = 9+1 = 10 [mm];

- Diametrul interior: Di = Dm-d = 9-1 = 8 [mm];

- Ungiul de inclinare al spirelor: ;

- Lungimea semifabricatului sarmei:

.

3                  Constructia si calculul corpului mecanismului

Pentru realizarea corpului mecanismului s-a ales o varianta care se realizeaza prin turnarea intregului corp dintr-o piesa. Astfel mecanismul se toarna dintr-o fonta cenusie, mai exact Fc100 care are urmatoarele caracteristici:

- densitate

Solicitari cu concentratori de tensiune:

- tractiune

- compresiune

- incovoiere

- rasucire

- forfecare

Solicitari fara concentratori de tensiune:

- tractiune

- compresiune

- incovoiere

- rasucire

3.1         Calculul arcului cilindric elicoidal de compresiune de pe surub

Materialul ales pentru confectionarea arcului este otel pentru arcuri (STAS 795-

71) ARC 4, pentru care .

Calculul arcului cilindric elicoidal de compresiune se face cu urmatoarele relatii de calcul:

- Indicele arcului: i = 810. Luam i = 9;

- Coeficientul de forma: K = 1,17 pentru i = 9;

- Diametrul spirei: ;

alegem d=3 [mm]

Unde F - forta din arc;

- Diametrul de infasurare: ;

- Diametrul exterior al arcului: ;

- Diametrul interior al arcului: ;

- Numarul de spire active: n = 48; Luam n = 7;

- Numarul total de spire: nt = n+nr; nr = 1,5 (numarul spirelor de reazem); nt = 7+1,5 = 8,5;

- Forta de montaj: Luam ;

- Forta maxima: ;

- Sageata de montaj: ;

- Sageata maxima:

;

- Lungimea arcului blocat: ;

- Pasul arcului nesolicitat: (jocul dintre

spire);

- Lungimea arcului nesolicitat:

- Unghiul de inclinare al spirelor: ;

- Lungimea semifabricatului sarmei:

.

 

BIBLIOGRAFIE

1.       Adalbert Antal si altii, Elemente de proiectare pentru mecanismele cu surub si piulita, 1985

2.       Institutul Roman de Standardizare, Organe de Masini - Vol. II – Elemente de fixare si asamblare; Arcuri, inele, Editura Tehnica, Bucuresti 1984

3.       Gh. Hulpe, Desen Industrial, Cluj-Napoca 1980

4.       Mircea Bejan, Rezistenta materialelor vol.1, Mega, Cluj-Napoca 2009

5.       Husein Gheorghe, Tudose Mihail, Desen tehnic, Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1975.