Rétegelt fa lemezrugó tulajdonságainak vizsgálata.

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Polimermérnőki Tanszék Rétegelt fa lemezrugó tulajdonságainak vizsgálata. SZAKDOLGOZAT Készítette: Pribék Beáta Műszaki Anyagtudományi Kar Levelező tagozat Konzulens(ek):Dr.Szabó Imre 2014 Miskolc

2 Igazolás Alulírott Pribék Beáta (Neptun kód: QNDB7G, született: Miskolc) igazolom, és büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy a leadott szakdolgozat a saját munkám. Miskolc, hallgató Az igazolást átvettem. Miskolc, tanszékvezető

3 A szezői jogok részleges átadásáról szóló nyilatkozatt Alulírott Pribék Beáta (Neptunkód:QNDB7G.szül.hely:Miskolc év:1986 hónap:08 nap:20) ezúton nyilatkozom, hogy a dolgozat nem tartalmaz a tudományos etikát, valamint vállalatok és intézmények érdekeit sértő bizalmas információkat. Dolgozatom az Egyetemi Könyvtár részére mind elektronikus-, mind nyomtatott formában átadható, és annak tartalma a Szerző nevének és a Dolgozat címének feltüntetésével nyilvános tárhelyre feltölthető. Miskolc, hallgató Az igazolást átvettem. Miskolc, intézetigazgató

4 Köszönetnyilvánítás Ahhoz, hogy a diplomamunkám elkészüljön sok ember támogatására szükségem volt. Szeretném megköszönni mindenek előtt a családom támogatását, különösen a páromét aki tanácsaival illetve otthoni munkájával végig támogatott az egyetemi éveim alatt. Köszönöm Dr. Szabó Imre konzulensemnek a szakdolgozat során adott hasznos ötleteit és jó tanácsait, és nem utolsó sorban a kitüntető bizalmát, amelyek hozzájárultak ennek a szakdolgozatnak a létrejöttéhez. Hálával tartozom mindazoknak akik a dolgozat megírásához tanácsaikkal, odafigyelésükkel, és szaktudásukkal segítették a munkám. Mindezeken túl köszönöm a támogatást a barátaimnak akikkel az elmúlt éveket együtt töltöttem, vidámságukkal, derüjükkel, szakmai és élet tapasztalataikkal segítettek. i

5 Szakdolgozat feladatkiírás Pribék Beáta Bsc levelező tagozatos hallgató részére Dolgozat címe: Rétegelt fa lemezrugó tulajdonságainak vizsgálata. Elvégzendő feladatok: - Mutassa be a rétegelt fa lemezrugó gyártás technológiáját, állítson össze a dolgozat témájához kapcsolódó szakirodalmi összefoglalót. - Foglalja össze a mérési eredményeit, mutassa be a mérés folyamatát. - Mutassa be a mérési eredményei alapján levonható következtetéséket. - Tegyen javaslatot, hogy a vizsgálatok alapján melyik tipusú fa alkalmas a gyártáshoz. A Diplomamunka leadási határideje: A Diploma terjedelme terjedelme: min. 50, max 60 A/4 oldal Belső konzulens: Dr.Szabó Imre Miskolc, intézetigazgató ii

6 Tartalomjegyzék 1.Bevezetés A szakirodalom feldolgozása A rugók kialakítási- és beépítési lehetőségei Acélrugók Fém réteges lemezrugók Kárpitos-rugók A hajlítás elméleti alapjai A fa nedvességtartalma f Egyensúlyi fanedvesség A fanedvesség mérése A kísérletekhez felhasznált fafaj Elnevezések Fizikai tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok Megmunkálási sajátosságok A fa hosszirányú tömörítése A tömörtett fa mechanikai tulajdonságai Összefoglalás Következtetések: A faanyag rugalmasságának jellemzése A rugalmassági modulusz (Young-féle modulusz)) A rugalmassági-alakváltozási jellemzők meghatározása Befolyásoló tényezők A minimális hajlítási sugár meghatározása iii

7 3.A szakdolgozat kiírásában meghatározott feladatok megoldása Rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteinek és szerkezeti felépítésének meghatározása Lamellák nedvességtartalmának és vízfelvételének meghatározása Eredmények Összefoglalás Felhasznált irodalom iv

8 Absztrakt Szakdolgozatomban a rétegelt fa lemezrugó tulajdonságait vizsgáltam. Szakirodalmi adatok (fém,- műanyag,- és farugók), valamint a kísérleti körülmények figyelembe vétele alapján, meghatároztam a vizsgált rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteit és szerkezeti felépítését. Különböző rétegelt fa lemezrugókat készítettem, amelyeknek többek között a rugalmassági tulajdonságát vizsgáltam. A rugóelemek (lamellák) szárításához és hajlításához terveztem és készítettem sablonokat a törésmentes hajlítás törvényeinek (nedvességtartalom, hőmérséklet, és h/r viszony) figyelembevételével. Megvizsgáltam és elemeztem a lamellák rugalmassági modulusának hatását, a rétegelt lemezrugó tulajdonságaira, és a fa hosszirányú tömörítésének hatását a rugalmassági modulus változására. A mérési eredményeket értékelve, néhány megfigyelést és javaslatot tettem a kisérleti eredmények gyakorlati alkalmazására. v

9 1.Bevezetés A szakdolgozatom témájául a rétegelt fa lemezrugót válsztottam. Ennek az az oka, hogy az utóbbi évtizedekben a fa felhasználási területe láttványos fejlődésen ment át. Ugyanakkor a fából készült termékek megítélésében kettőség mutatkozik. Az általában kedvező érzelmi kötődés mellett, a fához számos kedvezőtlen kép kapcsolódik. Ilyen például a tűzveszély és a rövid élettartam. Ezért szerettem volna a szakdolgozatomban bemutatni a fából készült rétegelt lemezrugót, mint a modern, minden igényt kielégítő, környezettudatos nélkülözhetetlen eszközt. A szakdolgozatom a rétegelt fa lemezrugó készítéséről, vizsgálatáról, és tulajdonságáról szól. Különböző szakirodalmak megismerése és feldolgozása után készítettem a vizsgálatokhoz, szárításához és hajlításához sablont, amelyhez figyelembe vettem különböző szempontokat. Többek között a törésmentes hajlítás törvényeinek (nedvességtartalom, hőmérséklet, és h/r viszonyt). Ezek után hozott anyagból (bükk fából) elkészítettem több rétegelt lemezrúgót, amelyeket több szempont alapján vizsgáltam. Szerettem volna választ kapni arra, hogy a lamellákra milyen hatással van a szárítás, hajlítás és a rétegződés, és még többek között arra, miben befolyásolja az ív a vastagság és hossz aránya a rugalmas alakváltozást. 2

10 2.A szakirodalom feldolgozása A szakdolgozat-kiírásban meghatározott feladatok alapján az alábbi témákkal foglalkozó szakirodalmak áttekintését tartom szükségesnek: 2.1.A rugók kialakítási- és beépítési lehetőségei A rugók olyan gép-elemfajták, amelyek a rájuk ható erők vagy nyomatékok hatására nagy rugalmas alakváltozás közben mechanikai munkát deformációs munka alakjában halmoznak fel. Ez az alakváltozási munka megfelelő körülmények között ismét visszaalakul mechanikai munkává, más részét felemésztheti a súrlódás. A rugó sokféle feladatra alkalmazható. Láttuk már szerepét pl. a rugalmas tengelykapcsolóban. De lehetnek energiatárolók, csillapíthatnak lökésszerű igénybevételeket ütközőkben, működhetnek rezgéscsillapítóként alapozásokban. Használhatók mozgások szabályozására mechanizmusokban, vezérlőszerkezetek működtetésére, erők továbbítására, lengő szerkezetekben szerepelhet rezgő elemként (lengő sziták). Erőmérésre is használják őket, pl. a rugós mérlegekben. Az igénybevételtől függően a rugó keresztmetszetében lehet húzó vagy nyomó igénybevétel, lehet továbbá hajlítás vagy csavarás. A keresztmetszet lehet kör vagy négyszög, a hajlított rugók, mint laprugók inkább négyszög keresztmetszetűek, viszont a torziós rugók esetében inkább a kör keresztmetszetet alkalmaznak. Alakjuk szerint: kör- vagy négyszög szelvényű hengeres, ill. kúpos csavarrugók, lap-, rud-, csavart, gyűrű-, tányér, spirál-és tekercsrugók. Karakterisztika szerint: progresszív, lineáris és degresszív Acélrugók A rugók anyagául általában nagy rugalmassági határral bíró anyagokat használnak.a rugalmassági tényező acélrugónál általában E = 2, kp/cm 2. A rugalmassági tényező azonban E = 1,8-2, kp/cm 2 között változhat. 3

11 Ez a körülmény különösen a több darabból összeépített réteges lemezrugóknál okozhat kellemetlenséget, mert ha ilyen rugónál a kis rugalmassági tényezővel bíró lemezek' közé egy nagy rugalmassági tényezőjű lemez kerül, akkor ez utóbbi túl-igénybevételt szenvedhet. Ezért célszerű arra törekedni, hogy egyforma minőségű és egyforma hőkezeléssel ellátott darabok kerüljenek összeépítésre [1]. 1. ábra. A rugók kialakítási lehetőségei. 2. ábra. Rugók jelleggörbéi. 4

12 A rugók anyagául általában nagy rugalmassági határral bíró anyagokat használnak.a rugalmassági tényező acélrugónál általában E = 2, kp/cm 2. A rugalmassági tényező azonban E = 1,8-2, kp/cm 2 között változhat. Ez a körülmény különösen a több darabból összeépített réteges lemezrugóknál okozhat kellemetlenséget, mert ha ilyen rugónál a kis rugalmassági tényezővel bíró lemezek' közé egy nagy rugalmassági tényezőjű lemez kerül, akkor ez utóbbi túl-igénybevételt szenvedhet. Ezért célszerű arra törekedni, hogy egyforma minőségű és egyforma hőkezeléssel ellátott darabok kerüljenek összeépítésre [1] Farugókat [2], esetleg rétegezett faanyagból készítve, kiterjedten használják lengőszitákhoz, rugós kalapácsokhoz, mezőgazdasági és malomipari gépekhez. A gumi, mint rugóanyag szintén kiterjedten használatos. Előnyös tulajdonsága a nagy nyúlóképessége és az erős belső csillapítása. Ezért olyan helyen kiválóan alkalmazható, ahol nagy rugózási úthosszra van szükség, továbbá ahol a keletkező lengéseket erősen kell csillapítani, ez utóbbi követelmény miatt gépek rugalmas alapozására célszerűen alkalmazható Fém réteges lemezrugók Gépkocsik, vasúti kocsik, mozdonyok és egyéb járművek, stb. alváz felfüggesztésének leggyakrabban használt rugalmas eleme a réteges lemezrugó (réteges hajlított laprugó). A réteges lemezrugó széleskörű elterjedését az alábbi körülmények indokolják: - gyártástechnológiája és rögzítése egyszerű, - nemcsak függőlegesen, hanem vízszintesen is terhelhető, - a rugólapok között keletkező súrlódás igen jól csillapítja a rezgéseket. A réteges lemezrugó különböző hosszúságú, egymásra helyezett lapokból áll. Mivel az egyes lapok meglehetősen vékonyak, a rugó lehajlása nagy lehet, anyagának képlékeny alakváltozása nélkül is. Az igénybevétel és alak szempontjából a réteges lemezrugó több típusát különböztetjük meg. 5

13 3. ábra. Lemezrugó-típusok. a) fél elliptikus-, b) konzolos, c) negyed elliptikus réteges lemezrugó. A legelterjedtebb a fél ellipszis alakú rugó [3.a.], amelyet a lapvégeken kiképzett szemekkel és a rugó közepén elhelyezett kengyellel rögzítünk. A rugókat konzolos formában is használják [3.b] ; a konzolos rugó ( kantilever") egyik végét a kocsi tengelyére terhelik, a másik végét és közepét a karosszériához erősítik. Ritkábban használják a negyedellipszisalakú rugót; a rugó egyik végét befogják, a másikat terhelik. (Méretezés szempontjából a negyed-ellipszisalakú rugót vizsgálják, mert a fél ellipszis alakú, mind a konzolos rugók negyed-ellipszisalakú darabokból áll). Az említett rugók jelleggörbéje egyenes (lineáris), bizonyos esetekben azonban nem lineáris jelleggörbéjű rugókat is alkalmaznak. Az ilyen rugók merevsége növekszik a behajlás növelésekor ( keményedő rugók ). Ilyen rugók járművekbe építve sokkal kényelmesebb utazást biztosítanak, mivel terheléskor a rezgő tömeg változásával egyidejűleg és arányosan a felfüggesztés merevsége is változik. A keményedő rugók merevségének változását az egyes rugólapok között létesített hézag [4.a.], vagy pedig a rugófelfüggesztés megfelelő szerkezeti kialakítása biztosítja [4.b]. Az utóbbi esetben működés közben a rugó működő hossza is változik. 6

14 4. ábra. Nemlineáris jelleggörbéjű lemezrugó. A réteges lemezrugó lapjait lágyacélból készült pánt tartja egybe. Az egyes lapok felül barázdával, alul taréjjal vannak ellátva, amelyek egymásba nyúlva, oldaleltolódás ellen adnak biztosítást [5]. A lapok hosszanti eltolódásának megakadályozására középütt csavart vagy szegecset elhelyezni hátrányos, mert a furat a feszültséggyűjtő hatása következtében nagyon gyöngíti a leginkább igénybe vett középső keresztmetszetet. Célszerűbb pánttal szorosan összefogni őket. Az összeszorítást a felső rugólapnál, a pántba bekalapált ékkel is növelhetjük. A réteges lemezrugók rendszerint ellipszisív alakúak. Az ívmagasságot célszerű úgy megállapítani, hogy a legnagyobb terhelésnél legyen a rugó közel a kiegyenesedett állapotához [3]. 5. ábra. Réteges lemezrugó. 7

15 6. ábra. Réteges lemezrugó szerelési rajza. A lemezrugó összeszerelése folyamatosan történik. Az öt rugólapból (lamella) álló réteges lemezrugó lapjai között terheletlen állapotban s 1, s 2, s 3, és s 4, hézag van. Tegyük fel, hogy először az ötödik (alsó) és a negyedik rugólapot szorítjuk össze, majd az összeszorított lapokhoz szorítjuk a harmadikat stb. [6.b.e] Kárpitos-rugók Fémrugók A kárpitozott bútor rugalmas funkciójának legfontosabb hordozója a rugózat. A hagyományos kárpitozás ülő- és fekvőfelületei, de igényesebb bútoroknál a támla és a kar könyöklő része elképzelhetetlen magas rugózat nélkül. A rugóelemeket többféle huzalvastagsággal és menetszámmal gyártották, ezen kívül a kárpitos félbevághatta (egytölcséres rugó), levághatott 1/4-3/4 menetet belőle, és még alakíthatta is, így minden célra a legmegfelelőbb rugóelemet tehette. 8

16 Tölcsérrugók (kúpos csavarrugók): A kárpitos iparban legrégebben alkalmazott rugóféleség a nyomórugónak egy sajátos változata. Alakja miatt tölcsér rugónak szokták nevezni. A tölcsérrugók kétszer kúpos (két tölcséres) és egyszer kúpos (egy tölcséres) alakkal, csomózott vagy csomózatlan kivitelben készülhetnek [7]. A tölcsér rugókat felhasználási szempontból a huzalátmérő (tized mm-ben) és a menetszám szerint különböztetik meg. Anyaguk keményre húzott acélhuzal. 7. ábra. Kétszer kúpos (tölcsér) rugó: a) nyitott végű, b) csomózott végű. c) Egyszer kúpos (tölcsér) rugó. a, b, b, 9

17 c, c, 8. ábra. Műanyag rugó 9.ábra.Műanyag rugók a kárpitos kereten/keretben. a-felül-, b- alul-, c- oldalnézet. a b c 10

18 10.ábra. Négyszög keresztmetszetű, nyomott fa-csavarrugó: a- hengeres, b- kúpos, c- dupla kúpos. a b c 2.2.A hajlítás elméleti alapjai Ha egy farúdat hajlításnak vetnek alá, akkor a húzott oldal törésig bekövetkező végső megnyúlása (E h ) lényegesen kisebb, mint a nyomott homorú oldal, nyomási rövidülése (E ny ). A túlzottan meghajlított rúdban a törés először a húzott oldalon következik be. Ennek oka, hogy a fa lényegesen nagyobb tömörítést képes elviselni, mint megnyúlást. A feszültségi-, és alakváltozási diagramot [11] (húzásra és nyomásra) a hasonlítjuk össze, amely jól szemlélteti, hogy a nyújthatóság mintegy 30 %-kal, az összenyomhatóság viszont szorosára növekszik. 11.ábra. Feszültségi és alakváltozási diagram. Gőzölt bükk, U=35% Gőzöletlen bükk, U=17% p=0,5 att t= 50 perc 2 húzó,n/mm T=0 C T=50 C 140 h h rövidülés, ny 20 35% T= 50 C ny ny T= 0 C % nyomó, N/mm nyúlás, h 11

19 A fa hidegen is, de különösen melegen jól hajlítható. Ennek az a magyarázata, hogy a fában a lignin amorf állapotban van jelen, és a cellulózrostokat úgy veszi körül, mint a beton a vasbetétet. A lignin a főzés, vagy a gőzölés hatására plasztikussá válik, ami hajlításkor lehetővé teszi a rostok elmozdulását. A túlzottan meghajlított rúdban a törés először a húzott oldalon következik be. Ennek oka, hogy a fa lényegesen nagyobb tömörítést képes elviselni, mint megnyúlást. Ha egy tetszőleges szilárd test (jelen esetben egy tömörfa alkatrész) mely h vastagsággal rendelkezik, egy R sugarú sablonra hajlítunk [12], akkor benne a rugalmas alakváltozás hatására a külső (domború) oldalon húzóerők, a belső (homorú) oldalon pedig nyomóerők keletkeznek; közöttük a semleges zóna helyezkedik, ahol a normál feszültségek értéke nulla. 12.ábra.Az alkatrész méretváltozása hajlításkor l 1 =l 0 +l h - külső (húzott) szál; l 0 - középső (semleges) szál; l 2 =l 0 - l ny - belső (nyomott) szál, h- az alkatrész vastagsá R - hajlítási sugár; - hajlítási szög l 1 =l 0 +l h l 0 l 2 =l 0 -l ny h R Ha a húzó-, és nyomófeszültségek azonos nagyságúak, akkor a semleges zóna az alkatrész középvonalával esik egybe. A húzott oldalra bütü-szorítókkal szilárdan felerősített húzószalag alkalmazásával a semleges szál a húzott oldal felé tolható [13]. 12

20 13.ábra. Acél húzószalag alkalmazása bütü-szorítóval. 1- acél húzószalag; 2- állítható bütüszorító; 3- alkatrész A rostokkal párhuzamos maximális nyomó ( ny ) - és húzó ( h ) alakváltozás, valamint a hajlítandó alkatrész geometriai méretei (h, R) között felírható a hibamentes hajlítás összefüggése: h R ny 1 ny h illetve, ha a húzószalag alkalmazásával a húzási megnyúlást kiküszöböljük: h R ny 1 ny A száraz és hideg fa alacsony plasztikus tulajdonságokkal rendelkezik. Ha a faanyag nedvességtartalma alacsony W = 8 2 %, akkor normál hőmérsékleten (t=20 C) az alkatrész vastagsága és a hajlítási sugár közötti viszony: h R Ebben az esetben, ha a hajlítandó alkatrész vastagsága h = 20 mm, akkor a hibamentes hajlítás sugara (h/r = 1/80 viszony mellett) R = 1600 mm. Látható, hogy ez a módszer a bútoralkatrészek hajlításánál nem alkalmazható, az igen nagy hajlítási sugár miatt. 13

21 A nedves fa W = % nedvességtartalom mellett már jobban, de nem eléggé hajlítható. Ilyenkor a h/r viszony: h R A fa maximális plaszticitása W = % nedvességtartalom és t=70 80 C hőmérsékleten érhető el. A h/r viszony: h R Ebben az esetben, ha h = 20 mm, akkor R = 500 mm. Ilyen sugár alkalmazásának már reális lehetőségei vannak a bútoralkatrészek hajlításánál, acélszalag felhasználása nélkül. A hajlítási sugár további csökkentése (azonos rétegvastagság esetén) acélszalag alkalmazásával érhető el. Ha az alkatrész nedvességtartalma W = %, hőmérséklete t=70-80 C és acélszalagot is alkalmaznak, akkor a h/r viszony: h R A fentiek alapján megállapítható, hogy a faanyagok hajlíthatóságát az alábbi tényezők befolyásolják: a fafaj, a fa sűrűsége, a fa szöveti szerkezete, a fa nedvességtartalma, a fa egészségi állapota és a fa előkezelése. A fenti viszonyszámok ismerete a gyakorlatban nagymértékben segíti a hajlítási mód kiválasztását és a biztonságos hajlítási sugár meghatározását. 14

22 2.3. A fa nedvességtartalma f A természetes fa (fatest) inhomogén, anizotrop kapillár-porózus szilárd test. így más porózus testekhez hasonlóan képes a levegőből vizet adszorbeálni, és kapilláris rendszerével folyékony vizet és oldatokat szállítani. A víz a fatestben két formában van jelen: - kötött vízként, a sejtfalakban molekuláris adszorpció formájában, és - szabad vízként, a sejtek makroszkópos pórusaiban (kapillárisaiban). Nedvességtartalmi fokozatok: A fa nedvességtartalmát illetően három határértéket és több közbenső fokozatot célszerű megjelölni. A három határérték: - abszolút száraz állapot (u=0%), - rosttelítettségi pont (átlagosan u30%), - abszolút nedves (víztelítettségi) állapot (u=u max ). A nedvességtartalmi fokozatok együttesen az alábbi táblázatban találhatók. 1. táblázat. Nedvességtartalom. Megnevezés Nedvesség-tartalom u, % Abszolút száraz 0 Túlszárított 6 (0 6) Szobaszáraz 8 (6,1 12) Légszáraz (labor) 12 Légszáraz (üzemi) 18 (12,1 18) Félszáraz 25 (18,1 30) Rosttelítettség 30 Félnedves 50 (30,1 50) Élő nedves 89 (50,1) Abszolút nedves

23 Az abszolút száraz állapotot csak szárítószekrényben érhető el. E fokozatnak nagy jelentősége van a tudományos kutatásban és a fa nedvességtartalmának meghatározásakor száraz tömeg szerinti átvételekor. A túlszárított" fokozatnak a különösen száraz klímájú helyiségekben alkalmazott fatermékeknél és egyes gyártási technológiáknál (pl. táblásított parketták) van gyakorlati jelentősége. A szobaszáraz" fokozatnak rendkívüli a gyakorlati jelentősége: minden fűtött helyiségben használt bútort és egyéb faterméket (így a spirál farugót is) erre a fokozatra kell leszárítani! A légszáraz állapot az ún. normál klímán (u = 20 0 C, 65% relatív páratartalom) biztosítható. Ez a klíma szükséges a faanyagok laboratóriumi vizsgálatainál. Rosttelítettségi állapot (határ, pont), amikor már a sejtfalak intermicelláris, interfibrilláris üregei széttágultak és maximálisan telítődtek vízzel. Az összes fafaj átlagában ezt az értéket 30%-nak fogadjuk el. A különböző fafajoknál ettől azonban igen jelentős eltérések lehetségesek. A faanyagok mechanikai tulajdonságai a nedvességtartalom növekedésével a rosttelítettségi határig csökkennek, azt követően nem változnak, a zsugorodási-dagadási jelenségek csak a rosttelítettségi határ és az abszolút száraz állapot között lépnek fel. Különösen nagy jelentőséggel bír a rosttelítettségi határ figyelembevétele a faanyagok hajlításánál és rostirányú tömörítésénél, mivel ezek a műveletek legeredményesebben közvetlenül a rosttelítettségi határ alatti nedvességtartalomnál végezhetők el. Az abszolút nedves állapotban (max. nedvességtartalom) az összes mikro- és makro sejtüreg telített vízzel. Tehát a faanyag kétfázisú: tömörfából és vízből áll (hiányzik a levegő). Ezen állapot csak áztatással, telítéssel érhető el. Az alábbi táblázatnak megfelelően láthatjuk, hogy milyen jelentős különbségek léteznek az egyes fafajok között, ez elsősorban az eltérő sűrűséggel. Néhány fontosabb hazai fafaj rosttelítettségi állapota és maximális nedvességtartalma 20 0 C-on az alábbi táblázatban található: 16

24 2.táblázat. Hazai fafaj rosttelítettségi állapota és maximális nedvességtartalma. Fafaj Rosttelítettségi pont (határ),% Max. nedvességtartalom, % Balsa 63,7 767 Nyárak 40,4 205 Lucfenyő 34,8 201 Erdeifenyő 31,3 168 Vörösfenyő 26,1 131 Nyír 28,9 126 Tölgy 24,5 111 Bükk 35,6 116 Akác 19,5 90 Gyertyán 32,6 92 Pockfa 16, Egyensúlyi fanedvesség A nedves fa száraz levegőn nedvességet ad le. Száraz fa a nedves levegőből vizet vesz fel. Ha sem nedvességfelvétel, sem nedvességleadás nincs, a fa nedvességtartalma a levegő nedvességtartalmával ún. nedvesség egyensúlyi állapotban van. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy azonos hőmérsékletű és relatív nedvességtartalmú (páratartalmú) levegőben, a száradó vagy nedvesedő faanyag bizonyos idő eltelte után mindig egy és ugyanazon nedvességtartalomra áll be. Minden hőmérséklethez és relatív légnedvességhez tartozik egy a fafajnak megfelelő egyensúlyi nedvességtartalom. A 100% relatív páratartalomnál a maximális érték a rosttelítettségi pont, amely 30% fanedvességi értéknek felel meg. Az egyensúlyi nedvességtartalmat befolyásoló tényezők: a fafaj, a környezeti hőmérséklet, a légköri nyomás, az a körülmény, hogy a faanyag egyensúlyi nedvességtartalmát száradás vagy nedvesedés által éri-e el.(hiszterézis: A faanyag egyensúlyi nedvességtartalmának a szárítással, ill. nedvesedéssel kialakuló értékei közötti különbsége,) 17

25 Az alábbi táblázat a bükk és a tölgy egyensúlyi nedvességtartalmát foglalja össze, a levegő nedvességtartalmának függvényében, 20 0 C hőmérsékleten. 3.táblázat. A bükk és a tölgy egyensúlyi nedvességtartalmát. A- szárítással beállított egyensúly fanedvesség; B- nedvesítéssel beállított egyensúly fanedvesség. A fa nedvességtartalma, ha a relatív légnedvesség, % Fafaj A 3,3 4,8 6,2 7,2 7,6 9,7 11,7 15,0 20,3 31,0 Bükk B 3,5 5,3 6,8 7,8 8,4 10,5 12,6 16,1 21,0 31,0 Tölgy A 3,0 5,0 6,8 8,2 9,2 10,3 11,5 14,2 17,0 30,7 B 3,0 5,2 7,2 8,7 9,8 11,0 12,0 14,8 17,5 30,7 A kötött- és a szabad víz felvételét (jellegét) az idő függvényében az alábbi ábrán mutatjuk be. (Az értékek természetesen az adott mintadarab méretétől függenek) 14. ábra.a természetes faanyag légnedvesség (kötött víz) és víz (szabad víz) felvétele a) légnedvesség (kötött víz); b) áztatás (szabad víz) 18

26 2.3.2.A fanedvesség mérése A víztartalom mérésének számunkra fontosabb módszerei a következők: Szárításos eljárás: A nedvességtartalom meghatározásának a legpontosabb módszere. Lényege, hogy szárítás előtt a faanyag tömegét megmérjük, majd szárítószekrényben fokozatosan (103 ±2 0 C) súlyállandóságig kiszárítjuk. A fa nettó nedvességtartalma: A fában lévő összes víz tömege a teljesen száraz fa tömegének százalékában kifejezve: mn m0 u 100%, m 0 ahol: m n - nedves tömeg, m 0 - abszolút száraz tömeg. Ellenállás típusú elektromos nedvességmérés: Az egyenáramú fajlagos elektromos ellenállás a kötött víz adszorpciós zónájában (w=5-26%) 10 6 nagyságrendben változik. Ezen összefüggések alapján kerültek kialakításra a különböző nedvességmérő készülékek. Dielektromos elven működő nedvességmérés. E mérési módszer a dielektromos állandó és a nedvességtartalom kapcsolatán alapszik: az abszolút száraz állapotú fának 2-3, a szabad víznek 80 a dielektromos állandó értéke. A mérési eredményeket a faanyag sűrűsége és az alkalmazott frekvencia befolyásolja. 0 C alatti mérésekre nem alkalmazható.. 19

27 2.4.A kísérletekhez felhasznált fafaj: 15.ábra. Felhasznált fafaj Elnevezések Buche. Rotbuche (német); beech (angol); faggio (olasz); hétre (francia); buk (orosz, szláv); hava (spanyol) Fizikai tulajdonságok A bükk fája sűrű, zsugorodásra, vetemedésre erősen hajlamos. Sűrűsége (kg/m 3 ): abszolút szárazon (u = 0%) légszárazon (u = 12%) élőnedvesen Pórustérfogat: 55% A frissen döntött bükk kg, m 3 vizet tartalmaz. A geszt és a szijács nedvessége között a különbség nem jelentős. A rosttelítettségi pont: 32-35%. 20

28 Zsugorodási jellemzők (%): sugárirányú 5,8 húrirányú 11,8 rostirányú 0.3 térfogati 14,0-17,9-21,0 A zsugorodási anizotrópia (húr, sugár): 2,04, tehát a fafaj igen hajlamos a vetemedésre, a széles bélsugarak mentén pedig a repedésre Mechanikai tulajdonságok Statikus szilárdsági jellemzők (a rostokkal párhuzamosan) (MPa): -nyomó húzó hajlító nyíró 6,5-8,0-19,0 Hasítószilárdság -sugárirányú 0,35 -húrirányú 0,45 Ütő-hajlító szilárdság (J cm 2 ): Keménység (Brinell) (MPa): -bütü 72 -olda 34 Csavarószilárdság (MPa): 15 Kopásállóság (csiszolásos módszer): tölgy : bükk = 1,56 : 1,0 (tehát a bükk kevésbé kopik). Statikus hajlító rugalmassági modulus (rostokkal párhuzamos) (MPa):

29 2.4.4.Megmunkálási sajátosságok Keménysége és gyakori álgesztesedése ellenére is nehézségek nélkül dolgozható fel a különböző mechanikai megmunkálási technológiákkal. Jól fűrészelhető, esztergályozható és marható. A bükk jól szegezhető, csavarozható, de a repedések megelőzésére célszerű előfúrást alkalmazni. A gőzöléssel előkészített bükk kiválóan hajlítható, de az utóbbi évtizedben a székülések, széktámlák, karfák, ágyrugók [3], sőt a széklábak gyártásához is elterjedtebben alkalmazzák a nagyfrekvenciás présekben történt formázást. A bükk jól pácolható és lakkozható. 2.5.A fa hosszirányú tömörítése Az eljárás lényege: A hajlításra alkalmas faanyagot ; a méretre szabás után ; hidrotermikusan kezelik ;majd hossztengelye mentén rostirányban tömörítik úgy, hogy közben az alkatrész keresztmetszete nem változik. Alkalmazható fafajok. A fa tömöríthetősége, a fa sejtszerkezetétől függ, és így fafajonként változó. Az eddigi tapasztalatok alapján a következő fafajok bizonyultak tömörítésre alkalmasnak: kőris, bükk [4], szil, juhar, hárs, tölgy, cseresznye és fekete dió. A szelvényen belül a szijács és geszt aránya a tömörítés minőségét nem befolyásolja; ez vonatkozik az évgyűrűk elhelyezkedésére is. Tömörítésre a rosttelítettségi ponttól 2-3%-al alacsonyabb nedvességtartalmú faanyag alkalmas. A méretre szabás: A tömörítendő alkatrészek méretét/többszörös méretét a tömörítő gép befogadóképessége határozza meg. Tömörítés után a faanyag kisebb darabokra szabható, ill. kötegelt tömörítés is lehetséges. Hidro-termikus kezelés. Tömörítés előtt a faanyagot gőzöléssel [16], vagy nagyfrekvenciás erőtérrel melegíteni kell ( C). Gőzzel történő melegítés esetén kb. 45 perc/25 mm gőzölési idővel kell számolni. Gőzölést alkalmaznak az alacsony nedvességtartalmú (u %) faanyag nedvesítésére is. A nagyfrekvenciás melegítés gyorsabb a gőzölésnél (5-10 perc/25 mm) a generátor kapacitásától függően. 22

30 16. ábra. Gőzölő berendezés (autokláv) Tömörítés. A melegített alkatrészeket a tömörítő berendezésbe helyezik [17], majd rostirányban nagy nyomással tömörítik. A nyomás hatására az eredeti hossz %-al csökken. Ezt az értéket a fafaj függvényében határozzák meg. A nyomás csökkenésével a faanyag visszarugózik és a maradandó hosszcsökkenés (az összenyomás nagyságától függően) 3-10 %. Tömörítés közben az alkatrészeket oldalirányban meg kell támasztani, a nyomás hatására fellépő kihajlás és keresztmetszet-változás megakadályozására. A tömörítő gépet számítógép vezérli, amely működés közben szabályozza a nyomást. 17. ábra. Tömörítő berendezés A rostirányú tömörítés hatására a rostfalak harmonikaszerűen gyűrődnek [18], és ezért a faanyag könnyen hajlítható. 23

31 18. ábra. a- a kezeletlen faanyag rostjainak falai párhuzamosan futnak, b- a tömörítés hatására a rostok harmonika-szerűen gyűrődnek A tömörített fa előnyei az alábbiakban foglalhatók össze: hidegen tárolható és időbeni korlátozás nélkül hajlítható; nagymértékű alakváltozásokat is elvisel és minden irányban hajlítható; az alakítás egyszerű eszközökkel végrehajtható és ezek használata könnyen elsajátítható; környezetbarát módon vegyi anyagok alkalmazása nélkül állítható elő; a kiszáradás utáni alaktartóssága kedvező és végül; a tömörítés hatására néhány mechanikai tulajdonsága (a rugalmassági modulus és az ütő- hajlító szilárdság) kedvezően változik A tömörtett fa mechanikai tulajdonságai A tömörítetlen (natúr) és tömörített fák (bükk és tölgy) rugalmassági modulusainak, hajlítószilárdságainak, valamint ütő-hajlító szilárdságainak számszerű, mérési adatait szakirodalomban (Kuzsella L., Dr, Szabó I., Havas Zs.: A fa tömörítésének hatása a mechanikai tulajdonságokra) találtuk meg, melyeket az alábbiakban [19] [4] [5] ismertetünk: 24

32 19ábra.Tömörítetlen és tömörített bükk, ill. tölgy, hajlítási görbéi különböző tömörítési százalékok mellett. A következő táblázatokban minden eredmény 22 mérés átlaga 4.táblázat. Charpy-féle ütő-hajlító vizsgálat. Faanyag Tömörítetlen bükk 20%-kal tömörített bükk Ütő-hajlító szilárdság,w[j/cm²] 8,85 14,35 Eltérés [J/cm²] 5,50 Eltérés %-ban 38,33% 5.táblázat. A fa tömörítésének hatása a mechanikai tulajdonságokra. Faanyag Bükk Tölgy Tömörítés mértéke tömörítetlen 15% 20% tömörítetlen 10% 20% E[MPa] 12007, , , , , ,39 Fmax[N] 802,79 495,49 415,63 524,04 402,84 412,60 σmax[mpa] 144,38 91,91 76,23 94,52 75,57 78,67 YFmax[mm] 4,88 23,41 26,27 4,89 11,22 22,93 W[Nm] 3068, , , , , ,42 25

33 6.táblázat. A bükk mechanikai tulajdonságainak változását (tömörítési fok függvényében adjuk meg) (Faul Beatrix: Diplomaterv.. Miskolci Egyetem. Polimer-mérnöki Tanszék 2006.) Összefoglalás A hárompontos hajlító vizsgálatok alapján megállapítható, hogy tömörítés után a faanyag merevsége kb. egyharmadára csökken, míg az alaktartósságának mértéke kb. ötszörösére nő, ami megkönnyíti hajlíthatóságát. Mindezek mellett a hajlítás során az anyag által elnyelt energia négyszeresére nő. Az ütő-hajlító szilárdság mérési eredményei alapján megállapítható, hogy a tömörített bükk ütő-hajlító szilárdsága mintegy 38%-al magasabb, mint a tömörítetlen bükké. Másképpen fogalmazva: a tömörítés mintegy 38%-kal növeli a bükk dinamikus erőhatásokkal szembeni szívósságát Következtetések: A tömörített faanyag kedvező mechanikai tulajdonságai egyértelműen arra utalnak, hogy kellő megszorításokkal ugyan, de érdemes megvizsgálni farugó -ként való alkalmazhatóságát. A farugó gyártásához azonban, csak a fémrugóknál szerzett több évtizedes tapasztalatokra alapozva (méretezés, formai kialakítások), és a tömörített fával végzett közvetlen kutatási eredményekre támaszkodva szabad hozzáfogni. 26

34 2.6.A faanyag rugalmasságának jellemzése A fának, mint ortotrop (ortogonálisán anizotrop) anyagnak a rugalmassági - alakváltozási jellemzőit legcélszerűbb rost (r)-, sugár (s)-, húr (h)- irányoknak megfelelően derékszögű koordináta-rendszerben vizsgálni [20]. A rugalmassági alakváltozási jellemzők e rendszerben 12 paraméterrel fejezhetők ki:. 20.ábra. Az ortotrop fatest derékszögű koordináta-rendszerben r: rostirány, s: sugárirány, h:húrirány h sr sík s r sh sík rh sík A rugalmassági modulusz (Young-féle modulusz)) A rost-, sugár- és húrirányú normál feszültségek () okozta alakváltozások jellemzésére szolgáló rugalmassági modulusz ( E ) értéke egyenlő az egységnyi, fajlagos alakváltozáshoz szükséges feszültséggel: ahol: - a normál feszültségek okozta fajlagos alakváltozás. 27

35 Ennek értéke: ahol: l - a normál feszültség okozta méretváltozás, l az eredeti hosszméret. A természetes faanyag rugalmasságának megismeréséhez célszerű a fa - " jelleggörbéjéből kiindulni [21]. Ennek jellemző szakaszai és pontjai a következők: O-K: a kezdeti nem lineáris jellegű görbületi szakasz, melynek hosszát a vizsgált mintadarab felületi egyenetlensége, a teherátadó nyomófej, illetve az alátámasztásnak a mintadarabbal érintkező felülete és ez által a felületi nyomása befolyásolja. K-A: a lineárisan rugalmas szakasz, amely az arányossági határig tart. Ezen belül az alakváltozás-feszültség kapcsolata lineáris, a Hooke-törvény értelmében valamely F tengelyirányú terhelés (húzás, nyomás) esetén A-B: az arányossági (A) és a törési ( B ) határok közötti képlékeny szakasz. B-B 0 : a törést követő szakasz, ahol a maximális feszültség ( B ) nem minden esetben okoz feltétlenül teljes törést. A feszültség fokozatosan csökken a mintadarab töréséig, a fajlagos alakváltozások tovább növekednek az Ö (teljes alakváltozás) értékéig. 21.ábra. A természetes faanyag - jelleggörbéje B B A A K 0 K B 0 K A B Ö 28

36 2.6.2.A rugalmassági-alakváltozási jellemzők meghatározása Mivel a szakdolgozat témájához elsősorban a hajlító igénybevétel kapcsolódik, ezért a továbbiakban a hajlító rugalmassági modulusz meghatározásával foglalkozom. A E modulusz meghatározása 3, vagy 4 pontos terhelés mellett végezhető el az alábbi összefüggések segítségével: Három pontos terhelés esetén [22] : 22.ábra: Három pontos terhelés sémája. F l/2 l /2 l 15b f Négy pontos terhelés esetén [23] : 23.ábra: Négy pontos terhelés sémája. ahol: E hajlító rugalmassági modulus, MPa; l- alátámasztási távolság, mm; b - próbatest szélessége, mm; a - próbatest vastagsága, mm; f - a F terhelő erő (N) által okozott behajlás, mm. l 15b f 29

37 2.6.3.Befolyásoló tényezők A természetes faanyagoknál a rugalmassági és alakváltozási jellemzőket a fafaj, a sűrűség, a rost (terhelés) irány a nedvességtartalom, a hőmérséklet, a terhelés ideje és a faanyag szöveti sajátossága befolyásolja. A sűrűség növekedésével egy fafajon belül a rugalmassági modulusok növekednek. A fafaj szerepe rendkívüli, mivel az alacsonyabb sűrűségű fák E modulusai esetenként meghaladják a nagyobb sűrűségűek értékét. Ez az eltérő szöveti felépítéssel áll összefüggésben. A nedvességtartalom növekedésével a rosttelítettségi határig a rugalmassági modulusz értékei csökkennek, azt követően azonban nem változnak [6]. A hőmérséklet szerepe a C-hoz közeli tartományban válik jelentőssé. 6.táblázat. Hőmérséklet szerepe Nedvességtartalom,% E modulusz,% Rugalmassági modulus meghatározása INSTRON 5566-os szakítógépen [24]. A szakítógéphez kapcsolt számítógép mérési adatokat rögzíti és a rugalmassági modulus értékeit meghatározza. Négypontos terhelési sémát alkalmaztunk. 24.ábra. INSTRON 5566-os szakítógép 30

38 2.6.4.A rugalmassági modulus meghatározása ultrahangos vizsgálati módszerrel A rugalmasság az anyagnak az a képessége, amikor külső erő hatására alakját és méretét megváltoztatja, de az erő megszűnése után visszanyeri eredeti formáját. A rugalmassági határon belül a méretváltozás mértéke arányos a terhelőerő által, az anyagban létrejövő feszültséggel. Ultrahangos rugalmassági modulus meghatározásnak az elve, hogy a hang terjedése, egy adott szilárd testben összefügg a szilárd test dinamikus rugalmassági modulusával az alábbi matematikai összefüggésnek megfelelően: E din v 2 ahol: - az anyag sűrűsége; v- a hang terjedési sebessége. Vagyis, ha egy szilárd testben nagy pontossággal mérhető a hang terjedési sebessége, és meghatározgató a test tömeg szerinti térfogatsűrűsége, akkor a dinamikus rugalmassági modulus a fenti egyszerű kifejezéssel meghatározható. A hangterjedési sebesség kiszámítható, ha egy hangforrásból, egy tőle jól definiált távolágban lévő vevő között mérjük a hangnak a forrásból a vevőbe érkezés idejét. Vagyis a dinamikus rugalmassági modulus, lényegében egy nagypontosságú időmérés segítségével határozható meg. A Nyugat-magyarországi Egyetemen (Dívós F.) kifejlesztett FAKOPP tipusu ultrahangos készülék [24]. 24. ábra.fakopp -tipusu ultrahangos készülék. 31

39 Az ultrahangos vizsgálattal megállapított dinamikus rugalmassági modulus minden tömörítési szinten jóval magasabb, mint a hárompontos hajlító vizsgálattal megállapított statikus rugalmassági modulus, ám tendenciájuk a tömörítési fok függvényében megegyezik A minimális hajlítási sugár meghatározása. Faanyagok minimális hajlítási sugara a feldolgozás szempontjából rendkívül fontos paraméter. Megmutatja, hogy a faanyag milyen mértékben hajlítható, hogy adott vastagság esetén, mekkora az a legkisebb görbületi sugár, melyet a fa látható károsodás nélkül még képes elviselni. A fa hajlíthatóságát több tényező befolyásolja: fafaj, anyagminőség, alkatrészméret, keresztmetszet alakja, tömörítési fok, a hajlításnál alkalmazott sablon és szerszám stb. A minimális hajlítási sugár meghatározásának eszközeit, módját, valamint a sikeres és sikertelen hajlítás eredményét [25] mutatjuk be. 25.ábra. Sikeres hajlítás Sikertelen hajlítás A fa hajlíthatósága a h/r viszonyszámmal jellemezhető, ahol: h a hajlítandó anyag vastagsága, R a minimális hajlítási sugár, amelynél a fa még biztonságosan (törés-mentesen) hajlítható. A következő ábra a h/r viszonyt mutatja be, a fafaj, a hőmérséklet, valamint a tömörítési fok (%) függvényében. 32

40 h/r 26.ábra. A h/r viszony a vastagság függvényében A tömörítés mértékének növelésével javítható a h/r viszony 1/7 1/6.59 Akác 15% szobahőmérsékleten 1/6 1/5.97 Bükk 15% szobahőmérsékleten 1/5 1/4.99 Bükk 23% szobahőmérsékleten 1/4 1/3.96 Bükk 23% 80 C-on Vastagság (h), mm Kárpitozás.(Matlák, Szabó:Bútorkárpitozás). Kárpitozott bútorok alatt azokat a kényelmi bútorokat értjük, amelyek megfelelő rugalmasságú párnázattal és tartós bevonó anyaggal rendelkeznek. A kárpitozott bútorok legfontosabb rendeltetése az ember kényelmének fokozása, ezért elsősorban pihenésre, másodsorban kényelmesebb munkavégzésre alkalmasak. Mind az ülőbútorok, mind a fekvő bútorok méretei (funkcionális méretek) a bútort használó személyek testméreteihez igazodnak. A kárpitozott bútorok szerkezeti egységei: állvány, tartószerkezet, rugózat, párnázat, bevonat és díszítés. 27.ábra. Kárpitozott bútor farugó párnázat keret állvány 33

41 A tartószerkezet lehet: lap vagy lemez, heveder, huzal vagy sodrony, acélszalag, farugó és hullámrugó. A farugók (szilos lécek) alapanyaga keménylombos, többnyire bükk fűrészáru, de a gyertyán-, akác- és a kőrisfa sem ritka. Rétegelt farugó: Idompréselt (ragasztott) lemezipari termék, a furnérok száliránya egymással megegyező. Rugalmas tartószerkezet képzésére alkalmas anyag, aminek rugalmassága a furnér alapanyagtól, annak rétegszámától, vastagságától és az idompréseléssel kialakított ívmagasságától is függ. Kárpitozott bútorok ergonómiai és fiziológiai tervezésének alapjai. A fekhelyek rugalmassági méretezésének alapelveit a méretarányok, a testsúly eloszlása és a testtartás biztosítása határozza meg. [28] 28. ábra. A gerincoszlop alakváltozásai különböző rugalmasságú kárpitozásokon a) túl puha fekhelyen hanyatt fekve, h) túl puha fekhelyen oldalt fekve, c) kemény fekhelyen hanyatt fekve, d) kemény fekhelyen oldalt fekve, e) rugalmas fekhelyen hanyatt fekve, e) rugalmas fekhelyen oldalt fekve (Orbai Péterné dr.: Faipari kézikönyv. II. 3. Fejezet). 34

42 A párnázat akkor ad jó komfortérzetet, ha az egyéb fiziológiai hatások mellett (hő, nedvesség, érdesség stb.) a testét a párnázat lágyan engedve mintegy körülöleli, ezután a benyomódás előrehaladásával progresszíven növekvő rugalmas erővel megtámasztja. Ez esetben a test kiálló részei benyomódnak a párnázatba, de csak olyan mértékig, hogy a gerincoszlop, a medencecsont és más testrészek természetes helyzetben maradnak [28]. A kárpitozások rugalmassága. (Dr. Sűveg József: Kárpitozás. NYME. Jegyzet). Mint ismeretes, a kárpitos bútorok különböző rugalmasságú anyagokból összeállított rugalmas rendszerek. A rugalmas anyagok jellemzője, hogy terhelés hatására alakjukat arányosan megváltoztatják, majd a terhelés megszűntével visszanyerik eredeti alakjukat. A rugalmas anyagok rugalmasságát a c rugóállandóval jellemezhetjük, ami az az erő, amely az adott anyag egységnyi alakváltozását okozza. ahol: F -a terhelő erő (N); f -az alakváltozás (mm). A kárpitozás egymás fölé épített rugalmas anyagok együttese, ahol az egyes rétegek külön-külön rugóknak tekinthetők. A sorba kapcsolt rugók eredő rugóállandója: ahol: c t = tartószerkezet rugóállandója, c r = a rugózat rugóállandója c p = a párnázat rugóállandója. 35

43 3.A szakdolgozat kiírásában meghatározott feladatok megoldása 3.1.Rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteinek és szerkezeti felépítésének meghatározása. A farugókkal kapcsolatos szakirodalom áttanulmányozása után úgy gondolom indokolt a témaválasztás. A szakirodalom ugyanis nem tesz említést a rétegelt fa lemezrugókról és azok alkalmazási lehetőségeiről. Említi ugyan a hajlított, ragasztott rétegelt lemezből kialakított farugókat, de ezek közel sem felelnek meg ugyancsak a szakirodalomban fellelhető a kárpitosipari tartószerkezetekkel szemben támasztott ergonómiai és rugalmas követelményeknek. A rétegelt fa lemezrugókkal kapcsolatos feladatok megoldásához, a fémrugókkal foglalkozó szakirodalom kiemelkedő színvonalú segítséget adott. Ennek megfelelően választottam ki az ötrétegű, előfeszített, fém mintarugót, a kísérleti rétegelt fa lemezrugók (későbbiekben: lemezrugó) geometriájának, meghatározásához. A lemezrugó hosszának (400 mm) megállapításakor a rendelkezésre álló berendezések (a szárítószekrény, valamint a szakító gép befogadó méreteit) vettem figyelembe. A fa lemezrugó lamelláinak keresztmetszete: 14 x 6 mm, mivel csak ilyen méretű szálanyag állt rendelkezésemre. 29.ábra. Ötrétegű, előfeszített, fém mintarugó a,lemezek előfeszítés előtt, b- előfeszítés után a, 36

44 b- előfeszítés után b, Az illesztett ellipszisek alapján megrajzoltam a fa lamellák felső ívét [30], amely alapjául szolgál a hajlítási sablon megszerkesztéséhez 30.ábra. Fa lamellák felső íve b a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a. 37

45 7.táblázat. Ellipszis tengelyek N 0 lamella a Ellipszis tengelyek mm b 31.ábra. Lamellák ívhosszának megállapítása. 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a

46 32.ábra. Fél hajlító sablon matrica 20,0 15,3 13,8 10,8 7,9 M=1:1 A lamellák ívhosszának meghatározása után kijelöltem a hajlító tüskék furatainak helyét a fél hajlító-sablon matricán [32]. Majd az ábra tükrözése után elkészítettem a teljes matricát [33]. Ezután a matricát felkasíroztam a sablonra (19mm vastag furnérozott forgácslap), és kifúrtam a hajlító tüskék helyét [34]. 39

47 33.ábra. Teljes matrica M=1 :2 34.kép. Hajlító sablon 40

48 3.2.Lamellák nedvességtartalmának és vízfelvételének meghatározása. A lamellák nedvességtartalmának meghatározása a szárításos eljárással történt, amely a nedvességtartalom meghatározásának a legpontosabb módszere. Az alapanyagok tárolási nedvességtartalmát (u t ) a LR/I. lemezrugó lamelláinak nedvesség mérésével határoztuk meg [8]. 8.táblázat. Nedvesség-mérés N 0 m 0 g m nt g u t % 1 24,5 26,1 6,2 3 23,9 25,6 6,6 4 24,3 26,0 6,6 8 24,4 26,1 6, ,0 25,7 7,1 Átlag: 6,2 Szórás: 0,2 Variancia: 2,9 Hiba (p): 2,7 9.táblázat. Nedvesség mérés N 0 m 0 g m k g u k % m 30 g u % m 60 g u % m 90 g u % m 120 g u % m 150 g u % m 180 g u % 1 24,5 25,3 3,6 27,6 13,0 28,6 16,9 29,3 19,8 30,1 23,1 30,6 25,8 31,2 27,5 3 23,9 25,3 4,0 27,2 13,7 18,2 17,9 29,0 21,2 30,0 25,0 30,3 26,5 30,8 28,5 4 24,3 25,2 3,8 27,1 11,4 28,2 16,1 29,6 21,6 29,3 20,5 29,5 21,4 30,0 23,4 8 24,4 25,2 3,6 27,5 13,0 28,6 17,4 29,4 20,5 30,3 24,4 30,6 25,5 31,1 27, ,0 24,9 3,7 27,0 12,6 28,2 17,3 28,8 19,7 29,7 23,6 29,9 24,5 30,6 27,3 Átlag 3,7 12,7 17,1 20,6 23,3 25,2 26,9 41

49 Miután a kísérleteket laborkörülmények között végeztük, ezért szükség volt a laboratóriumi klímaviszonyoknak megfelelő egyensúlyi fanedvesség (u k ) ismeretére, amely a lamellák hajlítás előtti nedvességfelvételnek (áztatásos vízfelvétel) meghatározásához szükséges [9]. A hajlítás előtt, a lamellák nedvességtartalmát a rosttelítettségi pontig kell emelni, a törésmentes körülmények (h/r) biztosítása miatt. Ezért szükséges az áztatás idejének meghatározása. A nedvességtartalom és az áztatási idő kapcsolata [35]. 35.ábra. A lamellák nedvességtartalmának változása az áztatás idejének függvényében Az előző táblázat és grafikon alapján megállapítható: a 6x14mm keresztmetszetű bükk lamellák 180 perces áztatás után elérik a 27%-os nedvességtartalmat, amely erősen megközelíti a bükk rosttelítettségi pontját, ami a hideghajlítás ideális nedvességtartalma. Lemezrugó-lamellák rugalmassági modulusainak meghatározása Mint ismeretes, a fa rugalmassági modulusa a hosszirányú tömörítés hatására megváltozik. Minél nagyobb a tömörítés mértéke, annál kisebb modulussal rendelkezik. A lemezrugók készítéséhez bükk, 6 x 14 x 2000 mm-es méretű, tömörített szálanyag állt rendelkezésünkre. Mivel hozott anyagból dolgoztunk, ezért sem a méretek, sem pedig a modulusok esetleges megváltoztatására nem volt lehetőségünk. 42

50 Mivel a lamelláknak rugalmassági modulusuk meghatározásakor egyenesnek kell lenniük, ezért a különböző okok miatt (hosszirányú tömörítés, tárolás, áztatás stb.) keletkezett síkbeli eltéréseket előnedvesítéssel, majd szárítással lehet kiküszöbölni. Ennek biztosítása érdekében szárító sablont terveztem [36] és készítettem [37]. 36.ábra. Szárító sablon rajza M=1: ábra. Szárító sablon A lemezrugó- (LR/I LR/V) lamellák modusainak számszerű értékei és a statisztikai adatok [10]. 43

51 10.táblázat Statisztikai adatok (LR/T-LRV) L.I. LR.II. LR.III. LR.IV. LR.V. Jel lam. E mod Jel lam. E mod Jel lam. E mod Jel lam. E mod Jel lam. E mod GPa GPa GPa GPa GPa 2 24,6 1 23, ,8 5 5,0 3,7 5 24,5 3 23, ,0 6 4,7 3,2 6 24,2 4 23, ,4 7 5,1 3,8 7 24,3 8 23, ,2 8 5,7 3,9 9 24, , ,6 9 5,2 3,0 Átl: 24,3 23,2 12,8 5,2 3,5 Szórás: 0,2 0,6 1,8 0,4 0,4 Variancia: 0,7 2,6 13,7 7,9 12,6 Hiba 0,05 : 1,6 2,3 12,8 7,7 10,4 Magyarázat: LR lemezrugó; I:-V lemezrugó jele 1-10 lamella jele LR/I.- Tömörítetlen bükk, a lamella kétrétegű (vastagság:2 x 3mm), E=24,3 GPa; LR/II.-Tömörítetlen bükk, változó lamella vastagság (6; 5; 4; 3; 2mm), E=23,2 GPa; LR/III.-Tömörített bükk, E=12,8 GPa; LR/IV.-Tömörített bükk, E=5,2 GPa; LR/V.-Tömörített bükk, E=3,5 GPa; Megjegyzések: Látható, hogy a tömörített lamellák E értékei meglehetősen nagy szórással, illetve hibával rendelkeznek. Ez egy gyakran előforduló technológiai hiba következménye: a tömörítés mértéke az anyag hossziránya mentén egyenetlen, amely meglehetősen eltérő E értékeket eredményez. 44

52 Rugalmassági modulus, GPa A 6mm vastag, tömörítés nélküli lamella (h/r viszony!!!) nem hajlítható törésmentesen, a kis hajlítási sugarak miatt. A lemezrugók modulusait szemléltetjük [38]. 38.ábra. A lemezrugók rugalmassági modulusai. (a lemezrugó-lamellák modulusainak átlaga) ,3 23, , ,2 3,5 0 LR/I. LR/II. LR/III. LR/IV. LR/V. A lemezrugó jele A rugóállandó, illetve a rugómerevség meghatározása. Mint ismeretes, a rugóállandó a szerkezet egy pontjának megadott irányú f elmozdulását jelenti, ha abban a pontban a megadott irányban egységnyi erő pl. F = 1N működik: mm/n Ez a definíció alakváltozás meghatározásra vezeti vissza a rugóállandó meghatározását. Értik azonban rugóállandón a fent definiált mennyiség reciprokát is. A C -re, használatos a lényegét jobban kifejező rugó keménysége elnevezés is. A rugóállandó gyakorlatban történő meghatározásához az f elmozdulás számszerű értékét a szabad rugóút felében (M/2) határozzák meg [39]. Esetünkben, ez az érték M/2=15mm, mivel a lamellák húrmagassága 20-45mm között változik. 45

53 39.ábra. H- lamella húrhossza, mm; M- lamella húrmagassága, mm; v M H Erőméréshez, a lamellákat és a lemezrugóka súrlódást kiküszöbölő kerékpárokhoz rögzítettük [39]. Az erőmérést INSTRON 5566 szakítógép segítségével határoztuk meg [40]. 39.ábra. Lamellák és a lemezrugók rögzítése. 46

54 40.ábra. Erőmérés az INSTRON 5566 szakítógépen 47

55 11.táblázat merési eredmények és a rugó karakterisztika számított értékei. 11.a.táblázat LR jele LR.I. Lamella HH, HM, jele (mm) (mm) F lamella (N) c C lamella lamella (mm/n) (N/mm) ,1 0,22 4, ,1 0,19 5, ,3 0,16 6, ,10 10, ,9 0,08 12,5 F rugó (N) c C rugó rugó (mm/n) (N/mm) 233,9 0,064 15,6 11.b.táblázat LR jele LR.II. Lamella HH, HM, jele (mm) (mm) F lamella (N) c C lamella lamella (mm/n) (N/mm) ,0 0,24 4, ,9 0,32 3, ,8 0,42 2, ,0 0,47 2, ,3 0,70 1,4 F rugó (N) c C rugó rugó (mm/n) (N/mm) 140,0 0,107 9,4 11.c.táblázat LR jele LR.III. Lamella HH, HM, jele (mm) (mm) F lamella (N) c C lamella lamella (mm/n) (N/mm) F rugó (N) c C rugó rugó (mm/n) (N/mm) 142,2 0,11 9,1

56 11.d.táblázat LR jele LR.IV. Lamella HH, HM, jele (mm) (mm) F lamella (N) c C lamella lamella (mm/n) (N/mm) ,6 0,52 1, ,6 0,47 2, ,2 0,46 2, ,6 0,30 3, ,3 0,16 5,2 F rugó (N) c C rugó rugó (mm/n) (N/mm) 56,8 0,26 3,8 11.e.táblázat LR jele LR.V. Lamella HH, HM, jele (mm) (mm) F lamella (N) c C lamella lamella (mm/n) (N/mm) F rugó (N) c C rugó rugó (mm/n) (N/mm) 53,9 0,28 3,6 Jelmagyarázat: c- rugóállandó, mm/n; C- rúgómerevség (-keménység) N/mm 49

57 Rugómerevség, N/mm Rugómerevség, N/mm 41.ábra. A lamella húrhossza és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti ; 12,5 226; 10,2 Sorozatok1 Lineáris (Sorozatok1) ; 6, ; 5,3 354; 4,5 2 y = -0,0456x + 19,772 R² = 0, A lamella húrhossza, mm 42.ábra. A lamella vastagsága és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti. 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = 0,67x - 0,02 R² = 0,9691 2; 1,4 3; 2,1 4; 2,4 5; 3,2 Sorozatok1 6; 4,2 Lineáris (Sorozatok1) Lamella-vastagság, mm 50