Problemy konstrukcyjne
W trakcie projektowania złącza i prowadzenia obliczeń możemy napotkać na inną przeszkodę niż luz montażowy. Jest nią zbyt mała wytrzymałość wieńca zębatego lub tulei, na której jest on osadzony.  Jeżeli mamy pełny wał, to wówczas elementem słabszym jest wieniec zębaty. Jeżeli będzie zbyt cienki to zostanie rozerwany. W przypadku zbyt cienkiej tulei zostanie ona zgnieciona i złącze straci swoją nośność.
Możemy przyjąć w pewnym uproszczeniu, że jedynymi czynnikami wpływającymi na nośność złącza są siła nacisku i współczynnik tarcia. Jeżeli wynikająca z innych przyczyn słabość elementów uniemożliwia nam zwiększenie siły nacisku, to jedyne, co jeszcze możemy zrobić, to wpływać na współczynnik tarcia. Praktykuje się to przez wprowadzanie do złącza cienkiej warstwy proszku korundowego. Ziarna elektrokorundu wbijają się do obu części powodując zwielokrotnienie siły tarcia, a tym samym umożliwiają nam zmniejszenie siły nacisku. Literatura (1) podaje, że wartość współczynnika tarcia w połączeniach skurczowych wynosi od 0.1 do 0.4. Wartość tę można w przybliżeniu doświadczalnie ustalić, jeżeli dysponujemy odpowiednio silną prasą, która umożliwi nam przeprowadzanie próby niszczącej, polegającej na rozłączeniu złącza i jednoczesnym zmierzeniu siły rozłączającej.
Wprowadzenie proszku korundowego do złącza powoduje wzrost współczynnika tarcia do wartości 0.6.

Zasadniczym pytaniem, jakie zapewne postawi każdy przytomny konstruktor będzie pytanie o dobór wielkości ziarna elektrokorundu. Dostępna (dla mnie) literatura nie dotyka tego ciekawego tematu. W praktyce znając parametr Ra lub, jeszcze lepiej, mając zmierzony parametr Rz chropowatości powierzchni montowanych elementów, należy dobrać ziarno większe niż suma Rz obu profili, tak, aby ziarno tkwiąc w zagłębieniu profilu sięgało dna przeciwnego zagłębienia. Producenci elektrokorundu podają w swoich katalogach tzw. numer ziarna i odpowiadającą mu wielkość w mikrometrach. Cienka warstwa proszku korundowego nie wpływa w istotny sposób na zmniejszenie luzu montażowego. Innym problemem jest sposób wprowadzenia proszku do złącza. Ja osobiście praktykowałem nakładanie elektrokorundu na wał, który był w temperaturze otoczenia. Proszek  można wówczas wcierać w powierzchnię wału lub nań napylić. W przypadku wału chłodzonego w kąpieli chłodzącej pozostaje wcieranie proszku w wewnętrzną powierzchnię elementu zewnętrznego, przed jego nagrzewaniem.
Jeśli i proszek korundowy nie wystarczy, to pozostaje ostatnia deska ratunku, czyli wspomożenie działania korundu klejem do metalu. Dotychczas zrealizowałem tylko jedno takie połączenie. Nie udało mi się jednak znaleźć odpowiednio dużej prasy, aby je rozłączyć i nie mogę nic powiedzieć na temat nośności takiego złącza. Niemniej jednak przekładnia pracowała bezawaryjnie.
Jednym z zagrożeń połączeń skurczowych jest również, w świetle badań literaturowych, tzw. fretting. Zjawisko to może teoretycznie wystąpić w przypadku, gdy zbyt mała siła tarcia w złączu dopuści do oscylacji połączonych elementów w skali mikro, pod wpływem zmiennych okresowo obciążeń. Zjawisko to jest dobrze opisane w literaturze przedmiotu (lit.4 i 5). W praktyce nie spotkałem go w układach napędowych, prawdopodobnie dlatego, że stosowane maksymalne możliwe do zrealizowania wciski uniemożliwiają jakiekolwiek przemieszczenia w złączu. Ponadto brak dostępu tlenu również przyczynia się do zmniejszenia zagrożenia.

Uwagi końcowe
Oprócz podanych powyżej przykładów stosowania, mogę podać jeszcze jeden sprawdzony osobiście przypadek. Połączenie to znakomicie nadaje się do napraw skrzynek biegów pojazdów. W samochodach klasycznych, z napędem na tylną oś, stosowane są skrzynki biegów z zazębieniem stałym pomiędzy wałkiem sprzęgłowym a pośrednim. Te dwa koła zębate zużywają się najbardziej. W przypadku braku dostępu do części oryginalnych można w celach naprawczych stosować tę technologię po zeszlifowaniu oryginalnych zużytych zębów. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy zachować oba oryginalne wałki, jeśli ich inne elementy nadają się do dalszej eksploatacji lub naprawy. Co się tyczy proporcji wieńców zębatych, to grubość ich mierzona we wrębie do średnicy wewnętrznej nie powinna być mniejsza niż dwa moduły. W tego typu złączach zalecane jest stosowanie proszku korundowego.
Wydaje mi się, że połączenie skurczowe choć znane, nie jest w pełni wykorzystywane i tkwi w nim jeszcze pewien potencjał rozwojowy. Byłoby miło, gdyby świat nauki zbadał wpływ proszku korundowego np. w zależności od wielkości ziarna, wielkości wcisku i technologii jego nanoszenia. Zagadnieniem wymagającym szczegółowych badań jest wpływ znacznej koncentracji naprężeń w miejscu końca piasty koła, gdzie kończy się obszar silnych naprężeń ściskających, na wytrzymałość zmęczeniową. Dla tych miejsc należy opracować wzorcowe ukształtowanie piasty koła, dla zminimalizowania tego wpływu. Być może da się częściowo zmniejszyć to zjawisko w wale, wpływając również na jego kształt  np. poprzez karby odciążające.
Interesujący i wymagający badań jest również wpływ klejów do metali na złącze. Kolejnym arcyciekawym obszarem byłoby połączenie skurczowe z zastosowaniem powłok PVD (Physical Vapour Deposition). Jak już wspomniałem, osadzanie proszku korundowego w złączu nie jest dopracowane. Technologia PVD otwiera tu zupełnie nowe możliwości. Opracowana naukowo, wyczerpująca monografia na ten temat, koniecznie z zaleceniami konstrukcyjnymi, byłaby cennym dziełem w każdej bibliotece zawodowej konstruktora.

Jerzy Mydlarz

Literatura:
1. Krukowski A.: Tutaj J. Połączenia odkształceniowe, PWN 1987
2. Moszyński W.: Wykład elementów maszyn, część I,  PWT 1955
3. Mydlarz J.: Wzmocnione połączenie skurczowe w układach napędowych, Mechanik 1987, nr 12, s. 568.
4. Neyman A.: Uwarunkowania frettingu jako procesu destrukcji warstwy wierzchniej, Tribologia : tarcie, zużycie, smarowanie  2002, nr 3, s. 965-974
5. Pytko S., Szczerek M.: Fretting – Forma niszczenia elementów maszyn, Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie 1994, nr 6, s.673-693
6. Poradnik Inżyniera  Mechanika, część II, WNT  1969
7. Puff T. Sołtys W.: Podstawy Technologii montażu maszyn i urządzeń, WNT 1980

artykuł pochodzi z wydania 9 (24) wrzesień 2009

Czytaj także:

Dziwne przypadki stosowania pneumatyki w budowie maszyn

Laminat techniczny pewny materiał konstrukcyjny i elektroizolacyjny

Energooszczędny system chłodzenia z indywidualnym freecoolingiem form

Skanery wielkoformatowe Colortrac