PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1 HŘÍDELE

Strojní součást válcovitého tvaru, určené k přenosu otáčivého pohybu a mecha-nické práce (kroutícího momentu) z hnací části (motoru) na část hnanou (stroj). Použití : Tvoří součást pohybového ústrojí strojů a zařízení nebo mechanických

převodů.

Podle způsobu přenosu pohybu rozdělujeme hřídele na :

nosné hřídele,

hybné hřídele.

1.1 NOSNÉ HŘÍDELE

Válcové součásti, uložené v rámu stroje:

o nepohyblivě umožňují otáčení jiným součástem na nich ulože-ných (např. kladky, pojezdová kola, napínací ko-touče)

o pohyblivě otočné současně se součástmi na nich pevně ulo-žených (např. nápravy kolejových vozidel)

Nepřenáší žádný točivý moment (výkon) → jsou namáhány pouze na ohyb.

Poznámka : Jinou variantou jsou otočné nosné hřídele s naklínovanými nebo nalisova-nými koly (např. nápravy kolejových vozidel) → nepřenáší kroutící mo-ment.

Nosný hřídel otočný s nalisovanými koly (náprava kolejového vozidla)

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.1.1 ULOŽENÍ NOSNÝCH HŘÍDELŮ

Nosný hřídel může být v rámu stroje uložen :

pohyblivě k uložení se používají stejně, jako u pohybových hřídelů, ložiska,

nepohyblivě uložení je provedeno pomocí tlakových nebo svěrných spojů.

Princip uložení nosných hřídelů v rámu stroje

a) pevné b) otočné

a)

b)

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.2 HYBNÉ (POHYBOVÉ) HŘÍDELE

tvoří převažující část všech hřídelů,

Vždy přenášejí určitý točivý moment (výkon),

vždy se otáčí,

namáhány kroutícím momentem nebo kombinací kroutícího a ohybo-vého momentu.

na koncích mají válcové nebo kuželové čepy otočně uložené v ložiskách,

Poznámka : Typickým představitelem pohybových hřídelů jsou hřídele v převodových skříních, tzn. hřídele nuceně poháněny.

Podle tvaru a způsobu použití dělíme pohybové hřídele na :

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.2.1 ULOŽENÍ POHYBOVÝCH HŘÍDELŮ

Nejméně ve dvou ložiskách → v případě požadavku na zvýšení tuhosti nutno hřídele ukládat do tří i více ložisek,

nutnost vždy uplatňovat zásadu → všechna ložiska, na kterých je hřídel uložen, musí být stejné konstrukce → buď valivá nebo kluzná.

Poznámka : Ložiska mohou být buď kluzná nebo valivá. Druh a typ použitého ložiska závisí na :

směru a velikosti vnějšího silového zatížení působícím na hřídel,

otáčkách hřídele,

požadované přesnosti a tuhosti uložení,

schopnosti tlumit rázy a chvění … .

Uložení hybného hřídele na dvou valivých kuličkových ložiskách

Uložení pohybového hřídele na kluzných ložiskách

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.2.2 PŘÍMÉ (PŘEDLOHOVÉ) HŘÍDELE

Nejčastěji používány v převodových ústrojích,

povrch hřídele je nejčastěji hladký nebo osazený (odstupňovaný) → slouží k vytvoření přesných ploch k usazení nábojů kol

Namáhání hřídele se mění po jeho délce → nejméně namáhány koncové části hřídele, se změnou velikosti namáhání se mění i průměr hřídele → nejmenší průměr mají koncové části,

Poznámka : Ozubená kola, řetězová kola, řemenice a jiné strojní části jsou na hřídeli uchyceny svěrnými nebo tlakovými spoji. Proti otáčení jsou pojištěny klí-nem nebo perem.

Hladký nebo osazený povrch hřídele je upravován např. frézováním drážky pro pero, broušením průměru pro osazení ložiska, soustruže-ním zápichu pro usazení těsnění …

Přímý (předlohový) hřídel

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.2.3 DUTÝ HŘÍDEL

tvarově shodný s přímými hřídeli, průřez tvoří mezikruží

Schopen přenosu většího silového zatížení než rozměrově rovnatel přímý hřídel, při stejné hmotnosti (tíze)

Poznámka : Při namáhání na krut a ohyb je střední část hřídele namáhána mnohem méně než jeho vnější část. Nejvíce je namáhán povrch hřídele - v ose hřídele je napětí nulové.

významná úspora materiálu (u větších rozměrů) → úspornější využití ma-teriálu,

nevýhodou je vyšší pracnost a cena → podle konkrétní aplikace nutná ekonomická analýza vhodnosti použití.

Mn.-,-.,1ioí

1.2.4 OHEBNÝ HŘÍDEL

Umožňuje přenos malého kroutícího momentu (do 13 Nm) se součas-nou změnou polohy koncových bodů hřídele,

zhotoven z několika vrstev drátěných vinutí ← musí platit zásada shody vi-nutí vnější vrstvy se smyslem otáčení hřídele.

použití k pohonu např. zubních vrtaček, náhony tachometrů, pohon ruční-ho nářadí … Poznámka : Jednotlivé vrstvy je nutno navíjet v opačném směru → zamezení rozmotávání

hřídele, nutno dodržet zásadu shody vinutí vnější vrstvy se smyslem otáčení hřídele drátu navinutého v několika vrstvách na sobě → na vnější vrstvě vyzna-čen směr otáčení, nejčastěji pravotočivý.

Dutý svařovaný hřídel

Ohebný hřídel

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.2.5 DRÁŽKOVÝ HŘÍDEL

Na obvodě hřídele provedeno několik podélných drážek → tvarově podob-né perům → hřídel plní stejnou funkci jako perový spoj,

může přenášet větší silové zatížení než hřídel s jedním perem,

použití v případech nutnosti zajištění možnosti axiálního posuvu rotačních částí umístěných na hřídeli (nejčastěji ozubená kola).

1.2.6 KLIKOVÝ (ZALOMENÝ) HŘÍDEL

Určen k přeměně rotačního pohybu na pohyb přímočarý vratný (např. u pístových čerpadel) nebo k přeměně přímočarého pohybu vratného na pohyb rotační (např. u spalovacích motorů),

vyrábí se z kovaných polotovarů → dokončují se na obráběcích strojích,

vysoké požadavky na přesnost provedení a kvalitu obrobených ploch jed-notlivých čepů ← dodržení kruhovitosti, válcovitosti a přímosti.

Klikový hřídel

Drážkový hřídel

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.3 VOLBA MATERIÁLŮ PRO VÝROBU HŘÍDELŮ Výběr vhodných materiálů je ovlivněn širokým spektrem pracovních i zátěžových podmínek, ve kterých hřídele pracují.

Volba materiálů závisí na provozních faktorech :

charakter provozního zatížení o může být statické, rázové, periodicky střídavé nebo míjivé,

hmotnostní požadavky konstrukce celého mechanismu o viz. duté hřídele,

možnost tepelného nebo chemicko-tepelného zpracování o některé části hřídelů získávají požadované vlastnosti cementová-

ním,nitridací, zušlechťováním ….

ostatní vrubová houževnatost,odolnost proti opotřebení otěrem … .

Používané materiály :

Oceli nelegované (konstrukční a uhlíkové) málo namáhané hřídele, oceli 11 500, 11 600, 11 700

Oceli nízko, středně i vysoce legované vysoce namáhané součásti např. hřídele motorových vozidel, obrá-běcích strojů

1.3.1 KRITICKÉ OTÁČKY HŘÍDELE

Hřídele parních turbín, turbokompresorů apod. vykonávají za provozu velký po-čet otáček → nutná kontrola na ohybové namáhání. Při provozu může nastat stav, kdy vlastní kmity hřídele = vynuceným kmitům hřídele → vznik rezonance → výchylky kmitů hřídele se teoreticky zvýší na ne-konečně velkou hodnotu.

Poznámka: Vlastní kmity hřídele jsou kmity, na které se hřídel rozkmitá svou pružností při vychýlení z rovnovážné polohy. Vynucené kmity hřídele jsou kmity vyvolané kroužením nevyvážených hmotností hřídele.

Při vzniku rezonance se může i správně navržený hřídel (splňuje pevnostní podmínku) porušit. Otáčky hřídele, při kterých dojde k rezonanci se nazývají kritické otáčky. Při pohybu hřídele v rozmezí cca ± 20% okolo kritických otáček, dochází ke stále rostoucímu průhybu hřídele (bez nutnosti dalšího zvyšování otáček) až do oka-mžiku jeho přerušení.

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

Znalost kritických otáček hřídelů je důležitá pro správný a bezpečný chod každého stroje s rotujícími částmi → provozní otáčky musí být buď nižší nebo vyšší než příslušné kritické otáčky.

Rychlé překročení kritických otáček vede k opětovnému snížení průhybu hřídele a zklidnění jeho chodu.

Poznámka : Průvodním jevem přechodu přes kritické otáčky je rozkmitání stroje při rozběhu nebo doběhu → pozorujeme prakticky u všech rychloběžných strojů.

U všech strojních částí konajících rotační pohyb je nutno zabezpečit jejich vyvá-ženost → nevyváženost hmot způsobuje chvění a vibrace → příčina špatné funkce nebo poškození celého stroje.

Poznámka : V důsledku nevyváženosti hmot dochází při rotaci hřídelů ke vzniku odstředi-vých sil způsobujících jejich chvění a průhyb. S rostoucí rychlostí otáčení roste i velikost odstředivých sil a velikost průhybu hřídele → dosažení kritických otá-ček.

Strojní části otáčející se pomalu se vyvažují pouze staticky.

Strojní části otáčející se rychle se vyvažují dynamicky.

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

1.4 PEVNOSTNÍ VÝPOČET HŘÍDELŮ

Při dimenzování hřídelů je nutno dodržet základní kritéria

dostatečná únosnost o nesmí dojít k ohrožení hřídele únavovým lomem y důvodu nízké

pevnosti

dostatečná tuhost o dosažením vhodné konstrukce zajistit dostatečnou ohybovou a torz-

ní tuhost hřídele

odolnost proti vlastnímu kmitání o ohrožuje hřídel samotný, vliv kritických otáček

odolnost ploch proti opotřebení o zajistit dostatečnou otěruvzdornost čepů pod ložisky

volba potřebné kvality obrobení ploch o především čepů s těsněním → špatná funkce těsnění způsobí vydí-

rání ploch pronikajícím prachem.

1.4.1 VÝPOČET NEHYBNÉHO NOSNÉHO HŘÍDELE 1. Výpočet velikosti reakčních sil

2

FFF BA

2. Výpočet ohybového momentu

2

1FM Ao

a zároveň

33

o d0,132

dπM

3

Do

o

σ

10Md

nebo

3

Do

o

σπ

M32d

Nosný hřídel zatížený osamělou silou

a šířka uložení b délka zatíženého čepu

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

3. Výpočet dovoleného namáhání hřídele v ohybu Výpočet se provede z meze kluzu v tahu stanovené pro jednotlivé typy ma-teriálů.

k

Rσ eDo

k ……… součinitel bezpečnosti, závislý na způsobu skutečného zatížení hřídele → výpočet je

možno aplikovat i na hřídele nezatížené pouze statickým zatížením a na hřídele otočné.

k = 2 klidné (statické) namáhání hřídele

k = 2,5 míjivé namáhání hřídele

k = 3 střídavé namáhání hřídele

4. Kontrola hřídele proti otlačení

Dovpdb

Fp

2a1b

Dovpda

2

F

p

Výběr nejčastěji užívaných materiálů hřídelů a jejich vlastnosti

Ocel ČSN

Pevnost

v tahu

Rm (Mpa)

Mez kluzu v tahu

Re (Rp 0,2)

Mez kluzu

ve smyku

Res (Mpa)

Mez únavy

tah - tisk

C (Mpa)

Mez únavy

v ohybu

Co (Mpa)

Mez únavy

v krutu

τCk (Mpa)

11 423.0 420 250 160 150 200 130

11 500.0 500 280 180 180 240 150

11 600.0 600 330 210 220 280 170

11700.0 700 360 230 240 300 185

12010.0 450 280 180 200 235 150

12020.0 500 300 195 220 245 155

12 030.6 550 300 195 200 240 150

12 040.6 600 330 210 210 270 160

12050.1 660 340 220 220 280 170

12 050.6 700 390 250 240 310 185

12061.1 680 380 245 230 290 180

12061.6 750 420 270 260 330 200

13 240.6 880 550 355 300 390 230

14 140.7 950 800 520 350 430 250

14 220.2 700 500 325 300 370 230

14 240.6 800 520 335 300 360 210

15 230.6 950 750 480 350 400 230

1.4.2 VÝPOČET HYBNÉHO HŘÍDELE

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

Předběžně počítat pouze na krut se sníženým zatížením. 1. Výpočet kroutícího momentu

Kroutící moment se stanoví pomocí výkonu P a obvodové rychlosti ω.

nπ2

P

ω

PMk

2. Stanocení hodnoty dovoleného napětí

Stanovení hodnoty dovoleného napětí v závislosti na namáhání hřídele :

a statické

b proměnlivé,jehož maximum dosahuje dvojnásobku jmenovité hodnoty

c čistý krut proměnlivého smyslu, radiální síla Fr působí uprostřed čepu hřídele

Hodnoty dovolených napětí čepů hybných hřídelů

Mez pevnosti

Rm (Mpa)

Tvrdost hřídele

HV

Způsob zatížení

')

Namáhání hřídel

čistý krut krut + ohyb od radiální síly

kM250rF kM250rF

≥ 500 ≥ 145 a 40 28 14

≤ 850 ≤ 250 b 28 20 10

c 20 - -

a 56 40 20

>850 >250 b 40 28 14

≤ 1200 ≤ 350 c 28 - -

>1200

>350

a 80 až 112 56 28

b 56 40 20

c 40 - -

3. Stanovení průměru nejmenšího čepu hřídele

3

Dk

k

τπ

M16d

PRI-STR-11.01_castistrojuumoznujicichpohyb_hridele

4. Kontrola na kombinovanou pevnost v ohybu a krutu

Kontrola na kombinovanou pevnost v ohybu a krutu v nebezpečném průře-zu se zavedením opravného součinitele :

2ko

2

omaxred Mα0,75MM nebo 2k0

2

omaxred τα3σσ

po předchozím provedení předběžných výpočtů :

3omaxoomaxomax d0,1MwMσ resp. 3kkkk d0,2MWMτ

oα opravný součinitel, nabývá hodnot :

0,7 pro střídavý ohyb a klidný až míjivý krut 1 pro střídavý ohyb a střídavý krut

KONTROLNÍ OTÁZKY (hřídele)

1. Co je to hřídel ?

2. Charakterizujte „nosné“ hřídele.

3. Jaké druhy pohybových hřídelí znáte ?

4. Jaké zásady platí pro uložení pohybových hřídelí ?

5. Jakým způsobem rozdělujeme hřídele podle způsobu přenosu pohybu ?

6. Charakterizujte „pohybové“ hřídele ?

7. Jakým způsobem jsou uloženy otáčející se součásti na nosných hřídelích ? Jak je hřídel uložen v rámu stroje ?

8. Vysvětlete, co jsou to „kritické“ otáčky hřídele ? Popište princip jejich vzni-ku.

9. Jakým způsobem předcházíme vzniku kritických otáček?

10. Na jakých faktorech závisí volba materiálu pro výrobu hřídele?

11. Jaká základní kritéria je nutno dodržet při návrhu (dimenzování) hřídelí?

12. Co mají společného hřídele s ložisky, spojkami, brzdami a převodovkami?