VİDALI BAĞLANTILAR MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE ELEMANLARI-I DERS NOTU Vidalı Bağlantılar 2 / 40 Makine parçalarının birbirlerine bağlanmasında, sökülebilen bağlama elemanları olarak vida, somun ve cıvatalar yaygın olarak kullanılırlar. Vidalar, talaşlı şekillendirme ve ovalama yöntemleri kullanılarak, silindirik yüzeyler üzerine helisel olukların açılmasıyla oluşturulurlar. 1
Vida Temel Ölçüleri Vida dişi, bir dik üçgenin, çevresi üçgenin tabanına eşit olan bir silindir üzerine sarılmasıyla oluşur. Üçgenin diğer dik kenarı vidanın hatvesine (adım), üçgenin eğimi vidanın helis açısına ve silindir çapı ise vida ortalama çapına eşit olur. d: Diş üstü çapı : Helis açısı d 0 : Ortalama çap (d 0 = d-h 1 ) d 1 : Diş dibi çapı (d 1 = d-2.h 1 ) h: Hatve (adım) (h=.d 0.tg ) H: Diş yüksekliği (H= 0,.866.h) H 1 : Dişlerin kavrama yüksekliği (H 1 = 0,6495.h) Diş üstü çapı vidanın anma ölçüsüdür. Vida Yönü Sağ vidalar sağa doğru döndürülerek, sol vidalar ise sola doğru döndürülerek sıkılırlar. Sistemin çalışma yönü ile vidanın çözülme yönünün aynı olduğu durumlarda (bisiklet pedalı ya da zımpara taşı gibi) vida sağ vida olarak değil sol vida olarak üretilir. Vida dişleri sağa doğru yükseliyorsa sağ vida, sola doğru yükseliyorsa sol vidadır. Sol vidanın belirtilmesi için S (sol) ya da LH (left hand) işaretleri kullanılır. 2
Vida Ağız Sayısı Ağız sayısı vida şaftı üzerine sarılan helis sayısıdır. Ağız sayısı arttıkça vidanın hatvesi büyür (iki ağızlı vidanın tur başına eksenel ilerlemesi tek ağızlı vidanın iki katıdır). Çok ağızlı vidalar, vidalı pres ya da kamera hareket düzeneği gibi düşük devir sayısına karşılık yüksek ilerleme miktarının istendiği yerlerde kullanılır. Vida Hatvesi (Adımı) Vida hatvesi (adımı), vida bir tam tur döndürüldüğünde ortaya çıkan eksenel ilerleme miktarıdır. 3
İnce Diş Vidalar Standart vidalardan farklı olarak, büyük çapa küçük adımlı vida açılmasıyla üretilen vidalardır. Örneğin, M20 vida için mil çapı 20 mm, hatve 2,5 mm ve helis açısı 2,48 o dir. Aynı çapa 1,5 mm hatveli bir vida açılacak olursa, helis açısı 1,18 o olan, ince dişli özel bir vida elde edilmiş olur. İnce dişli vidalarda helis açısı küçülmekte ve otoblokaj özelliği iyileşmektedir. (otoblokaj: sarsıntılı ve darbeli çalışma durumlarında sıkılı kalma, çözülmeme hali) Vidaların Kullanım Alanları Bağlantı (tespit) Vidası: Makine elemanlarının birbiri ile bağlantısında geniş ölçüde kullanılırlar. Dişli kutlarında, yatakların ve makinaların temele tespitinde, boru flanşlarının silindir kapaklarının bağlantısında, çelik konstrüksiyonlarda ve benzeri yerlerde kullanılırlar. 4
Vidaların Kullanım Alanları Hareket Vidası: Bir dönme hareketini öteleme hareketine ve ya ötelemeyi dönme hareketine dönüştürürler. Eğer somun elemanı dönme yapmadan eksenel doğrultuda kayabilecek şekilde kızaklanırsa ve öteleme yapması engellenen civataya bir dönme hareketi verilirse somun eksenel doğrultuda ilerlemek zorunda kalır. Bu durumda civatayı döndürmek için uygulanan çevre kuvveti büyük bir eksenel kuvvete dönüşerek somunu iter ve ya çeker. Mengenler, vidalı presler, krikolar bu prensipten yararlanarak tasarlanırlar. Küçük eksenel yollar büyük dairesel yollara dönüştürülerek ölçüm yapılır. Vida-Somun Toleransları Cıvata vidasının tolerans bölgeleri ISO tolerans sistemine göre e,g,h, somun vidasının tolerans bölgeleri ise G,H seçilir. Bu tolerans bölgelerine bağlı olarak ince (i), orta (o) ve kaba (k) olmak üzere tolerans sınıfı vardır. Genel olarak makine inşaatında orta, çelik inşaatta ise orta ve orta-kaba tolerans sınıfındaki cıvata ve somunlar kullanılır. 5
Cıvatanın Mekanik Özellikleri Civatanın mekanik özelliklerini belirten semboller cıvata başına kabartma yazıyla yazılır. Bu semboller iki rakamdan oluşmaktadır. Birinci sayının 10 ile çarpımı malzemenin dan/mm 2 cinsinden minimum kopma mukavemetini gösterir. Birinci ile ikinci sayının çarpımı malzemenin dan/mm 2 cinsinden akma sınırını gösterir. Cıvatanın Mekanik Özellikleri 6
Vida İmalatı Uygun boylarda kesilen vida anma çapındaki silindirik çubuklar tornalanarak vida dişi açılır. Vida adımına uygun olarak sabit hızla ilerleyen torna kalemi, sabit hızda dönen iş parçası üzerinde helisel bir yol açar. Somunlar için ise presde yapılan ön şekillendirmeden sonra iç vida dişleri aynı yöntemle talaş kaldırılarak açılır. Vida İmalatı Küçük çaplı vidalar için pafta ve somunlar için ise kılavuz adı verilen takımlar kullanılarak vida üretimi yapılır. 7
Vida İmalatı Vidaların büyük bir kısmı, vida profiline göre işlenmiş yivli plakalar arasında sıkıştırılan vida şaftına yuvarlanma hareketi yaptırılarak imal edilir (ovalama yöntemi). Talaş kaldırma olmadığından elyaf kesilmesi yoktur. Yüzeyde pekleşme olur ve mukavemet artar. 16 mm den küçük çaplar için soğuk ovalama, büyük çaplar için sıcak ovalama yapılır. Vida Türleri 8
Metrik Vida (M) Vida profili, tepe açısı 60 o olan eşkenar üçgendir. Diş uçları üçgen yüksekliğinin 1/8 i kadar kırılır, diş dipleri çentik etkisini azaltmak ve imalatı kolaylaştırmak için yuvarlatılır. Sembolik gösterimde vida çapı verilir (örnek: M 16). Whitworth Vida (W) Vida profili, tepe açısı 55 o olan ikizkenar üçgendir. Diş uçları diş dipleri üçgen yüksekliğinin 1/6 sı kadar yuvarlatılır. Sembolik gösterimde vida çapı ve 1 inch boydaki diş sayısı verilir (örnek: W 52x8,5). 9
Trapez Vida (Tr) Vida profili, tepe açışı 30 o olan trapez profildir. Bu tip vida daha ziyade hareket ve kuvvet taşıyıcı vida olarak kullanılır. Sembolik gösterimde vida çapı ve hatve verilir (örnek: Tr 100x12). Testere Vida (Ts) Diş eğim açısı tek taraflı olarak 30 o ve diğer yöndeki eğim açısı 3 o dir. Eksenel doğrultuda tek yönde etkiyen kuvvetlerin karşılanması için uygundur. Sembolik gösterimde vida çapı ve hatve (mm) verilir (örnek: Ts 60x9). 10
Yuvarlak Vida (Yv) İnce cidarlı borular ve elektrik ampulü duyları gibi büyük kuvvetlerin söz konusu olmadığı yerlerde, yalnız bağlantı amacıyla uygulanır. Sembolik gösterimde vida çapı ve hatve (mm) verilir (örnek: Yv 40x5). Vidaların Gösterilişi 11
Standart Metrik Vida Ölçüleri Vida Türleri SAPLAMA Her iki tarafına da diş açılmış başsız cıvatalara saplama adı verilir. Sık sık sökülüp takılan bağlantılarda tercih edilirler. Saplamanın bir tarafı makine gövdesinde sabit kalacak şekilde önceden kuvvetle sıkılır. Bağlanacak parça yerine takıldıktan sonra saplamalara takılan somunlarla bağlantı gerçekleştirilir. Söküleceği zaman ise sadece somunlar çıkarılır. Saplamalar yerinde kalır. 12
Vida Türleri GÖVDESİ TOLERANSLI CIVATA Büyük momentler ileten makine elemanlarında gövdesi toleranslı olarak taşlanmış cıvatalar, raybalanmış deliklere takılarak kullanılırlar. Bu uygulama yapılmadığı takdirde, çalışma anında cıvata yuvasındaki boşluk nedeniyle oluşacak büyük kesme kuvvetleri cıvatanın kısa sürede kesilmesine neden olur. Vida Türleri ESNEK CIVATA Eksenel kuvvetlerin tesiriyle bağlantı elemanında meydana gelmesi muhtemel fiziki değişikliklerin kalıcı olmasını önlemek amacıyla kullanılırlar. Esnek cıvatanın gövde çapı bir miktar inceltilir. Cıvataya gelen kuvvetlerin tesiriyle, cıvata malzemesinin esnekliğinden dolayı inceltilmiş kısım bir miktar uzar. Kuvvet ortadan kalkınca cıvata eski boyuna geri döner ve kalıcı bir deformasyon oluşmaz. Esnek cıvatalarda cıvatanın çözülmemesi için ilave bir emniyet sisteminin düşünülmesine gerek yoktur. 13
Vida Türleri GÖMME ANAHTARLI CIVATA Cıvata başının oturacağı yerin somun anahtarının giremeyeceği kadar dar olduğu ve cıvata başının dışarıda kalmasının istenmediği durumlarda silindirik ve havşa başlı vidalar kullanılır. Havşa başlı cıvatalar, daha ince malzemelerin cıvata başı dışarıda kalmadan bağlanmalarında kullanılır. Havşa form, cıvatanın delik ekseni doğrultusunda sıkılmasına da yardımcı olur. Vida Türleri TORNAVİDA AĞIZLI VİDA Tornavidayla sıkılıp çözülebilecek kadar küçük olan sac parçaların bağlantılarında düz ya da yıldız tornavida ağızlı vidalar kullanılır. Yıldız form daha kuvvetli sıkma yapılabilmesini sağlar ve sıkma sırasında vidanın bozulmasını önler. 14
Vida Türleri MATKAP UÇLU VİDA Sac bağlantılarında delme ve vidalama işlemlerini aynı anda yaparak işçiliği azaltmak için düşünülmüş bir vida çeşididir. 5 mm ye kadar saclara uygulanır. Vida aynı zamanda matkap ucu gibi çalışacağı için kaliteli malzemeden üretilir ve sertleştirilirler. Vida Türleri SAC VİDASI Sac vidaları keskin dişli ve büyük adımlıdır. 2,5 mm ye kadar saclar için kullanılırlar. Somun görevi görecek olan sac parçaya kendisi diş açacağından sert malzemeden yapılırlar. 15
Somun Türleri Kubbeli Somun: Bu somunun bir tarafı kubbe şeklinde kapalıdır. Bunun amacı cıvatanın dışarıda kalan kısmını korumak ve somuna güzel bir görünüş kazandırmaktır. Kelebek Somun: İş kalıpları ve benzeri aparatların pratik olarak elle bağlanıp çözülmeleri için yapılmış somunlardır. Yardımcı bir gereç kullanmadan sadece elle sıkılıp çözülürler. Somun Türleri Taçlı Somun: Cıvatalı bir bağlantının bir maşalı pimle sökülmeye karşı emniyete alınmasının istendiği durumlarda taçlı somunlar kullanılır. Somunun üst kısmında pimin geçebileceği kanallar açılmıştır. Somun iyice sıkıldıktan sonra pim bu kanallardan ve cıvata ucundaki delikten geçirilir. Pimin uçları iki yana doru kıvrılarak bağlantı tamamlanır. Tırtıllı Somun: Kalıp ve aparatlar gibi somunun sık sık elle çözülüp sıkılmasının gerektiği yerlerde dış çapı büyük tutulan ve üzerine tırtıl açılmış somunlar kullanılır. 16
Somun Türleri Çevresi Kanallı Somun: Çevresine karşılıklı olarak açılmış kanallar ayar işlemleri ve somunun emniyete alınması için kullanılır. Normal somunlara göre daha büyük çaplı ve daha ince yapılırlar. Özel göre yapılmış ay anahtarlar ile sıkılıp çözülebilirler. Halkalı Somun (mapa): Makinelerin kaldırılmasında, bir yerden başka bir yere taşınmasında kullanılırlar. Halkalı somun veya vidalar makine ağırlığını emniyetle taşıyacak şekilde seçilirler. Rondela Rondela: Vidalı bağlantılar sıkılırken somun ve cıvata başı iş yüzeyini aşındırırlar. Özellikle sık sık çözülüp sıkılan bağlantılarda bu durum daha barizdir. İş yüzeyinin bozulmaması ve sıkma kuvvetinin daha homojen yayılması için rondelalardan yararlanılır. Preste basılarak ya da torna tezgâhında işlenerek üretilirler. 17
Cıvata&Somunların Emniyete Alınması Değişken çalışma şartlarında, sarsıntı ve titreşimlerin etkisiyle, özellikle de vida helis açısının büyük olduğu durumlarda cıvatalı bağlantıların kendiliğinden çözülmesi riskine karşı bağlantı emniyete alınmalıdır. Emniyete alma işlemi şu şekillerde yapılabilir: 1) Yapıştırma: Vida ve somun dişleri arasına sürülen sentetik bir maddenin sıkma işleminden sonra donmasıyla dişler birbirine yapıştırılır. Böyle bir bağlantının çözülebilmesi için 130 o C nin üzerindeki sıcaklıklara kadar ısıtılması gerekir. Cıvata&Somunların Emniyete Alınması Değişken çalışma şartlarında, sarsıntı ve titreşimlerin etkisiyle, özellikle de vida helis açısının büyük olduğu durumlarda cıvatalı bağlantıların kendiliğinden çözülmesi riskine karşı bağlantı emniyete alınmalıdır. Emniyete alma işlemi şu şekillerde yapılabilir: 1) Yapıştırma: Vida ve somun dişleri arasına sürülen sentetik bir maddenin sıkma işleminden sonra donmasıyla dişler birbirine yapıştırılır. Böyle bir bağlantının çözülebilmesi için 130 o C nin üzerindeki sıcaklıklara kadar ısıtılması gerekir. 18
Cıvata&Somunların Emniyete Alınması 2) Yaylı Rondela: Bu elemanlar yay kuvveti uygulayarak vida ve somun dişleri arasındaki sürtünme etkisini artırmak suretiyle bağlantının çözülmesini önlerler. 3) Kilit Somunu: Emniyete alma için başvurulan diğer bir yöntem çift somun kullanmaktır. Kontra somun olarak isimlendirilen ikinci somun ilave bir sürtünme kuvveti sağlayarak bağlantının kendiliğinden çözülmesini önler. Cıvata&Somunların Emniyete Alınması 4) Emniyet Sacı: Bağlantı gerçekleştikten sonra iki tırnağın farklı yönlerde kıvrılmalarıyla bağlantının kendiliğinden çözülmesine engel olur. 5) Emniyet teli: Bu yöntemin uygulanabilmesi için cıvata başları önceden uygun şekilde delinmiş olmalıdır. Emniyet telinin iki cıvata arasında şekilde görüldüğü gibi bağlanmasıyla sistem emniyete alınmış olur. 19
Vida Anahtarları Anahtarlar: Somun anahtarları ve tornavidalar bağlantı elemanının şekline ve kullanım yerine göre farklı biçimlerde tasarlanır ve üretilirler. Şekilde sık kullanılan anahtarlara örnekler görülmektedir. Vida Bağlantılarında Kuvvet İletimi Bir vida bağlantısının sıkılmasında, vida ekseninde ortaya çıkan F kuvveti vida-somun dişleri üzerinden iletilmektedir. Somunun vida dişleri üzerindeki hareketi, F kuvvetine eşit bir yükün vida eğimine sahip bir eğik düzlem üzerindeki hareketi gibi düşünülebilir. 20
Vida Bağlantılarında Kuvvet İletimi Somunun sıkılması, dolayısıyla yükün eğik düzlem üzerindeki hareketi F çevre kuvveti (teğetsel kuvvet) ile sağlanmaktadır. Buna göre F eksenel kuvveti ile F t çevre kuvveti ve F R bileşke kuvvetlerinin denge durumunda olması gerekir. F kuvveti vida dişleri üzerinde yayılı yük oluşturmakla birlikte, hesaplarda basitlik sağlamak için, yayılı yük yerine F kuvveti, çevre kuvveti ve normal kuvvetin bileşkeleri göz önüne alınır ve bunların vida dişlerinin ortalama çapı d 2 üzerinde etkidiği kabul edilir. Vida Bağlantılarında Kuvvet İletimi 21
Vida Bağlantılarında Kuvvet İletimi Vida Bağlantılarında Kuvvet İletimi 22
Vida Türleri Sıkılarak ön gerilme verilmiş bir bağlantının kendi kendine çözülmemesi bağlantının otoblokajlı (kilitlenme özelliğine sahip) olduğunu gösterir. Bu özellik vida eğimine ve sürtünme katsayısına bağlıdır. m ' Verim Vida ve cıvata bağlantılarının verimi, sistemden alınan işin verilen işe oranından hesap edilir. Bir tur dönüşte uygulanan sıkma momentine karşılık vida hatvesi kadar ilerler. Bu durumda verim Fönh Fön d2 tg m tg m M s 2 d2 F ( ')2 tg( m ') ön tg m 2 Buna göre otoblokajlı bir vidada verim en fazla %50 olabilir. Ancak bağlantı vidalarında verim önemli olmayıp bağlama görevi ön plandadır. Oysa krikolarda, preslerde verim önemli olabilir. Küçük dönmelere karşılık belli bir oranda öteleme hareketi istenir. Bu nedenle bu tür elemanlarda ayrı bir kilitleme sistemi varsa otoblokaj aranmaz. 23
Vida Bağlantı Şekilleri 1) Ön yüklemesiz Bağlantı 2) Ön Yükleme Altında Sıkma Diş yüzeyinde ezilme Diş dibinde kesilme Diş sayısı-somun yüksekliği 3) Ön Yükleme Altında İşletme Yükü 1) Ön Yüklemesiz Bağlantı 24
2) Ön Yükleme Altında Sıkma 2) Ön Yükleme Altında Sıkma Diş yüzeyinde ezilme Diş dibinde kesilme Diş sayısı-somun yüksekliği 25
3) Ön Yükleme Altında İşletme Yükü Yay Karakteristiği Yaya etki eden kuvvet ve moment etkisi altında yayda meydana gelen boy veya şekil değişimi arasındaki ilişkiye yay karakteristiği adı verilir. Yay karakteristiği; Helisel tel yaylarda olduğu gibi doğrusal karakterde, Kauçuk yaylarda olduğu gibi artan karakterde, Tabak yaylarda olduğu gibi azalan karakterde olabilmektedir. 26
Yay Karakteristiği Ön Yükleme (Şekil Değişimi) Üçgeni 27
Ön Yükleme (Şekil Değişimi) Üçgeni Ön Yükleme (Şekil Değişimi) Üçgeni 28
Yay Katsayıları Yay Katsayıları 29
Uygulama 2 (bilezik kama) Uygulama 2 (bilezik kama) 30
Uygulama 3 Şekildeki el presinde, hatvesi 6 mm, diş üstü çapı 70 mm, sürtünme katsayısı 0,12 ve tabla sürtünme yarıçapı 40 mm olan kare profilli vida ile 30 kn kuvvet uygulanmaktadır. a) Vidadaki basma gerilmesini hesaplayınız. b) 500 mm çaplı el volanına uygulanan çevresel kuvveti hesaplayınız. c) Presi I-I ekseninde yere bağlayan 6.6 kalitesindeki iki adet cıvatanın büyüklüğünü belirleyiniz (emniyet katsayısı S= 2,5) Uygulama 4 Şekilde boyutları ve malzemeleri verilmiş olan cıvata, manşonun içinden geçirilip kalın bir sac levhaya vidalanmaktadır. Cıvatanın levha içinde kalan kısmının deformasyona iştirak etmediği kabul edilecektir. a) Cıvata ve manşonun yaylanma rijitliklerini hesaplayınız. b) Boşluğu alındıktan sonra cıvataya bir devir daha yaptırılırsa cıvata ve manşon boyları ne olur? (GG 18 için E GG = 1,05.10 5 N/mm 2 ) 31
Uygulama 5 Şekildeki vidalı bağlantıda uzar cıvata ve sıkılan parçaların yaylanma rijitliklerini hesaplayınız. (bütün parçalar çeliktir, E v = E p =2,1.10 5 N/mm 2 ; l ş =100 mm; l v =20 mm; s=1,5.d=1,5.14=21 mm; k=1/5 (çelik); l p =120 mm; D 0 =15 mm). Uygulama 6 Şekildeki hidrolik silindirin kapağı 8 adet M12 cıvata ile bağlanmıştır. Her bir cıvataya 14 kn luk bir ön gerilme verilmiştir. Silindirdeki basınç 50 bar'dır. Vida dişleri arasında ve somun altında μ = 0,12 dir. a) Yukarıdaki ön gerilmeyi verebilmek için cıvataya uygulanması gereken sıkma momenti ne kadardır? b) Parça ve cıvata yaylanma rijitlikleri oranı 4 olduğuna göre, silindire basınç uygulandığı zaman her bir cıvatadaki yük artışı ve sıkılan parçalarda kalan ön gerilme ne kadardır? 32
Uygulama 7 Ara manşon kullanılarak yapılan bağlantıda, 20 kn'luk ön yükleme ile sıkılan cıvataya çalışma esnasında 0 15 kn işletme kuvveti etkimektedir. a) Somun sıkma momentini bulunuz (μ= 0,12). b) Yaylanma rijitliklerini hesaplayınız. Ara manşonun elastikliği cıvatada mı, sıkılan parçalarda mı dikkate alınmalıdır? Neden? c) Cıvataya gelen ek kuvveti ve gerilme genliğini bulunuz. Uygulama 8 Şekildeki hidrolik pres silindiri kapakları 4 adet cıvatayla bağlıdır. Cıvatalar, etkisinde bulundukları işletme kuvvetinin iki katı bir ön yükleme kuvvetiyle sıkılmıştır. Cıvataya gelen en büyük kuvveti ve cıvata emniyet katsayısını hesaplayınız. Şekil değiştirme üçgenini çiziniz. Uzama için cıvatanın sadece 1000 mm'lik kısmı dikkate alınacaktır. Cıvata ve silindir malzemesi akma gerilmesi: AK = 8000 dan/cm 2 33
Uygulama 9 Şekildeki hidrolik silindirde p=25 50 bar işletme basıncı ortaya çıkmaktadır. Silindir kapağı bağlantısında, 5.6 kalitesinde 10 adet M20 cıvata kullanılmıştır (E Ç =2,15x10 5 N/mm 2 ). Silindir ve kapak dökme demirden yapılmıştır (E DD =1,1x10 5 N/mm 2 ). Çalışma sırasında kapağın en az z.f ön '=8000 N kuvvetle bastırılması istenmektedir. İşletme sırasında cıvatada oluşan ortalama gerilmeyi ve cıvata sıkma momentini hesaplayınız. Sürtünme katsayısı μ=0,1; d 1 =16,933 mm, d 2 =17,294 mm, h=2,5 mm) (Parçanın sıkılan bölgesi, iç çapı 22 mm ve dış çapı 40 mm olan silindirik boru şeklinde düşünülecektir.) Uygulama 10 0-25 bar arasında değişen basıncın etkili olduğu kapta, kapağı tutan M10x50 cıvatalarda sızdırmazlık için 0,4.F iş ön gerilme olması isteniyor. Cıvata sayısı ne olmalıdır? (k p : 750 kn/mm, k c : 250 kn/mm, K ç : 3, S: 2, diğer faktörler: 1) 34