Asamblări elastice - arcuri

DEFINIRE, CLASIFICARE, DOMENII DE FOLOSIRE

Arcurile sunt organe de maşini care realizează o legătură elastică între anumite piese sau subansamble ale unei maşini. Prin forma lor şi prin caracteristicile mecanice deosebite ale materialelor din care se confecţionează, arcurile au capacitatea de a se deforma sub acţiunea unei forţe exterioare, preluând lucrul mecanic al acesteia şi înmagazinându-l sub formă de energie de deformaţie. La dispariţia sarcinii exterioare, energia înmagazinată este restituită sistemului mecanic din care face parte arcul.

Clasificarea arcurilor se face după o serie de criterii, prezentate în continuare.

- După forma constructivă, se deosebesc: arcuri elicoidale, arcuri bară de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri în foi, arcuri inelare, arcuri disc şi arcuri bloc.

- După modul de acţionare a sarcinii exterioare, clasificarea se face în: arcuri de compresiune, arcuri de tracţiune, arcuri de torsiune şi arcuri de încovoiere.

- După solicitarea principală a materialului, se deosebesc arcuri solicitate la torsiune, la încovoiere şi la tracţiune-compresiune.

- După natura materialului din care este executat arcul, se deosebesc arcuri metalice şi arcuri nemetalice.

- După variaţia rigidităţii, arcurile pot fi cu rigiditate constantă sau cu rigiditate variabilă (progresivă sau regresivă).

- După forma secţiunii arcului, se deosebesc arcuri cu secţiune circulară, inelară, dreptunghiulară, profilată sau compusă.

Domeniile de folosire ale arcurilor sunt variate, cele mai importante fiind:

- amortizarea şocurilor şi vibraţiilor (la suspensiile autovehiculelor, cuplaje elastice, fundaţia utilajelor etc.);

- acumularea de energie (la ceasuri cu arc, arcurile supapelor etc.), care apoi poate fi restituită treptat sau brusc;

- exercitarea unei forţe permanente, elastice (la cuplajele de siguranţă prin fricţiune, ambreiaje prin fricţiune etc.);

- reglarea sau limitarea forţelor (la prese, robinete de reglare etc.);

- măsurarea forţelor şi momentelor, prin utilizarea dependenţei dintre sarcina exterioară şi deformaţia arcului (la cântare, chei dinamometrice, standuri de încercare etc.);

- modificarea frecvenţei proprii a unor sisteme mecanice.

MATERIALE ŞI TEHNOLOGIE

Materialele utilizate în construcţia arcurilor se aleg astfel încât să îndeplinească o serie de condiţii generale, cum sunt: rezistenţă ridicată la rupere, limită ridicată de elasticitate, rezistenţă mare la oboseală (uneori şi rezistenţă la temperaturi înalte, rezistenţă la coroziune, lipsa proprietăţilor magnetice, dilataţie termică redusă, comportare elastică independentă de temperatură etc.).

Materialele feroase dedicate construcţiei arcurilor sunt oţelurile. Acestea pot fi oţeluri carbon de calitate (OLC 55A, OLC 65A, OLC 75A, OLC 85A) sau oţeluri aliate (cu Si, pentru rezistenţă şi tenacitate; cu Mn sau Cr, pentru călibilitate şi rezistenţă la rupere; cu V, pentru rezistenţă la oboseală; cu Ni, pentru termorezistenţă). Oţelurilor pentru arcuri li se aplică un tratament termic de călire şi revenire medie, obţinându-se în acest mod o elasticitate mărită în toată masa materialului. Mărcile de oţeluri pentru arcuri sunt standardizate.

Materialele neferoase se folosesc, de regulă, la arcuri care lucrează în câmpuri electrostatice, pentru care se doreşte lipsa proprietăţilor magnetice. Cele mai utilizate materiale neferoase pentru arcuri sunt alama şi bronzul, dar şi anumite aliaje speciale (Monel, Inconel etc.).

Materialele nemetalice utilizate la arcuri sunt cauciucul, pluta etc.

Tehnologia de obţinere a arcurilor depinde, cu precădere, de forma constructivă a acestora. Semifabricatele pentru arcuri elicoidale se prezintă sub formă de sârme, bare, benzi etc Forma elicoidală se obţine prin înfăşurare la rece (la arcuri cu secţiune mică) sau prin înfăşurare la cald (la arcuri cu secţiune mai mare). Tratamentul termic se efectuează, în general, după înfăşurare. La arcuri înfăşurate la rece, puţin solicitate, tratamentul termic se poate face înainte de înfăşurare, urmând ca după înfăşurare să se efectueze doar operaţii de revenire.

Calitatea suprafeţei arcurilor este determinantă pentru rezistenţa acestora la oboseală. În scopul creşterii durabilităţii arcurilor supuse la solicitări variabile, măsurile care se iau sunt: rectificarea suprafeţei arcului (după tratamentul termic), durificarea stratului superficial (dacă nu este posibilă rectificarea), acoperirea suprafeţei (pentru protecţie împotriva coroziunii), evitarea decarburării suprafeţelor în timpul tratamentului termic etc.

CARACTERISTICA ELASTICĂ

Caracteristica elastică a unui arc reprezintă dependenţa dintre sarcina exterioară ( forţă sau moment de torsiune) care acţionează asupra sa şi deformaţia elastică (săgeată sau rotire) pe direcţia sarcinii. În funcţie de tipul sarcinii exterioare, caracteristica elastică se poate exprima prin una din expresiile F = F(δ) sau Mt = Mt(θ), în care δ reprezintă deformaţia liniară a arcului pe direcţia forţei F (săgeata), iar θ – deformaţia unghiulară a arcului pe direcţia momentului de torsiune Mt (rotirea). În fig. 5.1 sunt prezentate cele două tipuri de caracteristici elastice liniare corespunzătoare celor două tipuri de sarcini exterioare.