Asamblari prin pene - clasificare, utilizare, material, pene transversale, pene longitudinale

ASAMBLARI PRIN PENE

Penele sunt organe de imbinare demontabile, care fixeaza sau regleaza pozitia a doua piese. Folosirea penelor prezinta avantajul realizarii unor asamblari simple si ieftine, dar, in acelasi timp slabesc rezistenta prin introducerea unor concentratori mari de tensiuni.

1. CLASIFICARE, UTILIZARE, MATERIAL

In tabelul  se prezinta o clasificare a penelor.

Datorita faptului ca sunt supuse la solicitari mari de incovoiere, forfecare, presiune de contact, penele se executa din OL60, OL70 si OLC45.

Rezistenta minima de rupere a materialelor din care se realizeaza penele trebuie sa fie de 60daN/mm².

Tabelul

2. PENE TRANSVERSALE

Se prezinta in continuare cateva exemple de utilizare a penelor transversale.

In figura - pene transversale pentru asamblare fara prestrangere. Se observa ca intre elementele 1 si 2 care trebuie asamblate cu ajutorul mansonului 5, exista un joc 'j'.

 

Fig

Un exemplu de asamblare cu strangere este prezentata in figura 4.2. Pana 3 este presata astfel incat asigura contactul piesei 2 cu subansamblul 1 in care se monteaza.

Fig 4.2. Fig 4.3.

In figura 4.3. se prezinta un exemplu de asamblare de reglare. Pana 1 a carei pozitie poate fi riguros controlata cu ajutorul piulitelor 4, prin deplasarea sus-jos, imprima cuzinetului 2 o miscare stanga-dreapta in lagarul 3, obtinandu-se astfel reglarea la pozitie a cuzinetului.

2.1. CONSIDERATII TEORETICE SI ELEMENTE DE CALCUL

Pentru buna functionare a penelor transversale, este necesar ca acestea sa se mentina in imbinare in timpul exploatarii, sa se asigure deci autofixarea, sau autofranarea penelor in locasul lor.

Constructiv, acest lucru se poate realiza prin limitarea unghiurilor de inclinare a fetelor penei la valorile obisnuite din conditia de autofranare.

Schema de calcul se prezinta in figura 4.4.

Fig 4.4

Dupa cum se poate observa, in figura 4.4. sunt prezentate fortele intr-o asamblare fara pre-strangere.

Se face ipoteza simplificatoare ca se pot neglija componentele orizontale ale fortelor de frecare.

In aceasta situatie, conditia de autofixare devine:

F'1 + 2 F'2 ≤ F''1 + 2 F''2 (4.1)

Dar,

F'1 = F·tg α1

2 F'2 = 2 tg α2 = F·tg α2

F''1 = μ1·Fn1·cos α1

2 F''2 = 2 μ2·Fn2·cos α2

Dar,

Fn1 =

Fn2 =

Deci relatia () devine :

F·tg α1 + F·tg α2 ≤ F·μ1 + F·μ2 (4.2)

In relatia (4.2) : μ1 = tg ρ1 si μ2 = tg ρ2 unde ρ1 si ρ2 sunt unghiuri de frecare.

In final se obtine :

tg α1 + tg α2 ≤ tg ρ1 + tg ρ2

α1 + α2 ≤ ρ1 + ρ2 (4.3)

Relatia (4.3) prezinta conditia de autofranare, si spune ca autofranarea este asigurata atunci cand suma unghiurilor de inclinare este mai mica decat suma unghiurilor de frecare.

Pentru penele cu o singura fata inclinata :

α1 = α ; α2 = 0si (4.3) devine :

α ≤ ρ1 + ρ2 ;sau (4.4)

α ≤ 2ρ , daca ρ1 = ρ2 = ρ

In tabelul 4.2 se prezinta valorile recomandate pentru unghiurile de inclinare a penelor.

Tabel 4.2.

In cazul asamblarilor cu prestrangere initiala, trebuie determinata forta de introducere a penei, F' care este necesara realizarii fortei de prestrangere F0. Schema de calcul este prezentata si in figura 4.5.

Fig 4.5.

Forta F0 de prestrangere este proiectia pe orizontala a rezultantelor R1 si R2. Aceste rezultante, se obtin din suma vectoriala a fortelor Fn1, Fn2 cu fortele de frecare μ1Fn1 si μ2Fn2, care apar la introducerea frontala a penei sub actiunea fortei F'.

Din conditia de echilibru, se scrie :

F' = F'1 + 2 F'2 (4.5)

Dar :F'1 = F0·tg (α1 + ρ1)

F'2 = ½ F0· tg (α2 + ρ2)

Relatia (4.5) devine :F' = F0·tg (α1 + ρ1) + F0· tg (α2 + ρ2)(4.6)

In situatia cea mai des intalnita, α1 = α , α2 = 0 , ρ1 = ρ2 = ρ si atunci relatia (4.6) devine :

F' = F0 [tg (α + ρ) + tg ρ]

Penele transversale fara strangere, si la care α1 = α2 = 0 prezinta o schema de incarcare ca cea din figura 4.6 , si se calculeaza la :

incovoiere, relatia de calcul fiind :

σi = = ≤ σai

forfecare, relatia de calcul fiind :

ζf = ≤ ζaf

solicitari de contact, cu relatia :

σs = ≤ σas - manson-pana

σs = ≤ σas - arbore-pana

In relatiile de mai sus :

σai = ; c = 1,45.1,8

σaf = (0,2 + 0,3) σ 0,2

σas = 0,8 σ 0,2

Fig 4.6.

3. PENE LONGITUDINALE

Forma de baza a penelor longitudinale este prezentata in figura 4.7.

Penele longitudinale se caracterizeaza prin faptul ca se monteaza paralel cu axa pieselor de imbinat.

Aceasta categorie de pene, se foloseste la asamblarea a doua piese coaxiale, cu scopul de a transmite miscarea de rotatie si moment.

Tipurile de pene longitudinale sunt reglementate de STAS 430-74, iar dimensiunile penelor in sectiune transversala, de STAS 431-81, 433-73, 434-73, 1004-81, 1007-81, 1006-71.

Fig 4.7.

In tabelul 4.3. se prezinta o clasificare mai detaliata decat cea din tabelul

In continuare se prezinta pe scurt cateva tipuri de pene longitudinale :

a) - Pene inclinate

Acestea au fata dinspre butuc inclinata. Sub actiunea fortei de strangere, pana strange radial arborele si butucul. Aceste pene prezinta siguranta in exploatare, transmit momente mari, dar au dezavantajul ca produc ovalizari, dezaxari.

Penele inclinate pot avea diferite forme, capete drepte sau inclinate, cu nas sau fara nas. La penele cu nas, accesul pentru montare/demontare este posibil pe o singura parte.

b) - Pene inclinate subtiri

Aceste pene transmit momente mai mici decat cele anterioare, deoarece se inlocuieste canalul de pana din arbore cu o tesitura. Introduc concentratorii mici de tensiune, se recomanda pentru valori de diametru de pana la 230 mm. Se pot executa si in varianta cu nas.

c) - Pene inclinate concave

Acestea se ingroapa numai in butuc, transmit momente mici, se folosesc la diametre mai mici de 150 mm.

d) - Pene tangentiale

Se monteaza perechi, inclinarea fiind data suprafetei de contact dintre cele doua pene. Prin bataie una contra celeilalte, se produce o forta de apasare foarte mare, de aceea pot transmite momente foarte mari.

e) - Pene paralele

Au forma paralelipipedica si se monteaza cu joc radial.

Nu produc dezaxari, permit deplasarea pe arbore.

In cazul solicitarilor mari, pentru a evita smulgerea, penele paralele se fixeaza pe arbore cu suruburi.

f) - Pene disc

Partea ingropata in arbore este in forma de disc.

Avantajul este ca pot lua pozitia dupa butuc, prin balansare in locasul circular. Se recomanda la diametre de pana la 38 mm.

Formele constructive pentru penele de la punctele a.f sunt prezentate in anexa (A.4.1, figura AI.Ax).

Tabelul 4.3.

3.1. ELEMENTE DE CALCUL

a). Calculul asamblarilor cu pene inclinate

Datorita inclinarii penei, sub actiunea fortei de introducere F (figura 4.8) se creeaza forta de strangere Fr ce produce o reactiune intre butuc si arbore pe partea opusa.

In stare de repaos, Fr se poate considera uniform repartizata pe latimea penei - figura 4.9.a.

Sub actiunea momentului motor Mt si a celui rezistent, Mr, apare tendinta de rotire dintre butuc si arbore. In aceste conditii, luand in considerare si fortele de frecare, starea de repartizare a presiunilor pe latimea penei se modifica - figura 4.9.b.

In calcule, se neglijeaza fortele de frecare, si se considera o repartitie triunghiulara - figura 4.9.c.

Fig 4.8.

Fig 4.9.

a.1). Pana inclinata

In ipoteza ca pana asigura strangerea radiala necesara, schema de calcul este cea din figura 4.10.

Fig 4.10.

Mt = Fr ·x + μ·Fr ·y + ½ d·Ff unde :(4.8)

Fr = ½ b·l·pp - presiunea de contact

l - lungimea penei

Dacax = b ; y = d ; Ff = μ·Fr atunci :

Mt = b·l·pb + μb·l·pd + d·μb·l·p

Mt = b²·l·p + μ· b·l·d·p + μ· b·l·d·p

Mt = b²·l·p + μ· b·l·p·d

In final :Mt = b·l·p (4.9)

Mt - moment de torsiune transmisibil

Deoarece penele sunt standardizate, ele se aleg si se verifica, nu se dimensioneaza.

Verificarea se face in doua moduri :

calculand cu relatia 4.9. pe Mt care se compara cu momentul transmis in realitate, sau

se verifica presiunea de contact cu relatia :

pa (4.10)

a.2) Pana inclinata subtire

In fig. 4.11 se reprezinta repartizarea fortelor

In aceleasi conditii, adica

Se obtine relatia de calcul 4.9.

Verificarea la presiunea de contact se face cu relatia 4.10.

Momentul transmisibil reprezinta aprox. 40% din momentul pe il poate transmite arborele.

a.3) Pana inclinata concava

Forta de strangere se repartizeaza uniform pe latimea penei,

(4.11)

Momentul transmisibil, se calculeaza cu relatia:

(4.12)

a.4) Pene tangentiale

Schema de calcul, se reprezinta in fig. 4.12.

Daca Ft - forta periferica corespunzatoare momentului transmis, neglijand forta de stragere initiala Fr, valoarea momentului transmisibil va fi:

(4.13)

In relatia 4.13, l - lungimea penei.

b) Indicatii privind pozitia penelor longitudinal cu strangere

In cazul cand o singura pana nu poate transmite momentul dat, sau cand lungimea necesara pentru o singura pana ar depasi valorile recomandate, 1<(1,5-2)d, se utilizeaza montarea mai multor pene.

Utilizarea a doua sau trei pene cu strangere, nu inseamna dublarea sau triplarea momentului de strangere, deoarece reactiunea rezultanta intre butuc si arbore nu creste in aceeasi masura. (fig. 4.13).

Fig. 4.13

Pozitia cea mai buna, atat pentru solidarizarea butucului cu arborele, cat si pentru ovalizare minima este .

c) Calculul asamblarilor cu pene paralele

Penele paralele se monteaza in locasul lor cu joc radial (fig. 4.14).

 Fig. 4.14

Din acest motiv, momentul este preluat si transmis doar de fetele laterale.

Schema de solicitare a unei pene paralele in functie de sensul de rotire al arborelului, este prezentata in figura4.15.a

Fig. 4.15.a

Momentul transmis se poate calcula cu relatia:

Mt=y.Ftsau, daca

Mt=d.Ft

Aceeasi relatie, se poate scrie si in functie de presiunea de contact.

Mt=y.p.Aunde y - distanta fata de punctual de aplicare a fortei

P - presiunea unitara

A - suprafata ce transmite moment

Dar,y;Ah.l deci,

Mt=h.l.p.d

In fig.4.15.b se prezinta repartizarea neuniforma a eforturilor de suprafetele de contact.

Neuniformitatea ,se formeaza pe de o parte datorita tendintei de scoatere a penei din locas , iar pe de alta parte , datorita existentei fortelor de frecare dintre suprafetele in contact.

Fig. 4.15b

Penele paralele, se verifica la presiunea de contact si forfecare cu relatiile:

Pef= Pa

Ъef=Ъaf

d)Calculul asamblarilor cu pene disc

O asamblare cu pana disc este prezentata in fig.4.16

Momentul Mt transmisibil se calculeaza cu relatia:

Pana este solicitata preponderent la presiunea de contact pe suprafata si la forfecarea pe sectiunea

In tabelul 4.4 se dau valorile pentru presiunile de contact admisibile pentru calculul asamblarilor cu pene longitudinale.

Tabelul 4.4