Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

Transkrypt

1 Materiały dydaktyczne Inżynieria wytwarzania Semestr IV Laboratorium 1

2 Temat 1 (1h): Budowa i charakterystyka sprzęgieł Sprzęgłem nazywamy zespół służący do łączenia wałów. Dzięki zastosowaniu sprzęgła można oddzielnie wykonywać silniki, zespoły napędowe i mechanizmy robocze, a następnie łączyć je w trakcie montażu. W zależności od narzuconych wymagań odnośnie pracy istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych sprzęgieł. Ogólne warunki zastosowania poszczególnych typów sprzęgieł, niektóre sprzęgła można stosować zamiennie, a na wybór konkretnego rozwiązania mogą mieć wpływ takie czynniki, jak np.: warunki eksploatacyjne, gabaryty maszyny, koszt zastosowanego sprzęgła (co ma wpływ na cenę gotowego zespołu), konieczność rozłączania wałów w czasie pracy i wiele innych. a) sprzęgła sztywne stosujemy w wypadku, gdy podczas montażu można dokładnie ustawić wały względem siebie i ustawienie to nie zmienia się podczas eksploatacji maszyny. Do tej grupy zaliczane są sprzęgła: tulejowe, łubkowe, tarczowe (nie mylić z tarczowymi ciernymi). W szczególnym wypadku sprzęgła sztywne mogą pracować jako sprzęgła bezpieczeństwa po przekroczeniu określonego obciążenia element łączący sprzęgło z wałem zostaje zerwany. b) sprzęgła podatne stosowane w celu umożliwienia sprężystych odkształceń skrętnych wałów. Stosuje się sprzęgła podatne z wkładkami gumowymi. c) sprzęgła przegubowe - stosuje się do łączenia wałów przecinających się pod kątem różnym od zera. Sprzęgło to może także kompensować zmiany kąta między osiami wałów (sprzęgło Cardana, sprzęgło przegubowe kulkowe, sprzęgło przegubowe kulowe synchroniczne), d) sprzęgła włączalne stosowane w wypadku konieczności łączenia i rozłączania zespołów w trakcie ich pracy. Zadanie to mogą spełniać sprzęgła cierne tarczowe, cierne wielopłytkowe, sprzęgła kłowe itp. e) sprzęgła samonastawne umożliwiają niewielkie zmiany względnego położenia osi wałów (zmiany takie są niejednokrotnie wynikiem wadliwego montażu). Można tu stosować sprzęgła sworzniowe, krzyżakowe, łańcuchowe, zębate i inne. f) sprzęgła cierne są sprzęgłami włączanymi asynchronicznie, umożliwiającymi włączanie przy różnych prędkościach obrotowych wałów czynnego i biernego. Łączniki sprzęgła w stanie rozłączonym nie stykają się ze sobą. Włączenie sprzęgła polega na dociśnięciu łączników, wskutek czego powstają siły tarcia na powierzchniach styku. Siły te powodują obracanie się wału biernego aż do zrównania prędkości obrotowych wałów. W stanie włączonym przy zapewnieniu odpowiednio dużej siły docisku łączniki dzięki tarciu między nimi poruszają się wspólnie. W czasie włączania istnieje poślizg między łącznikami. Dzięki temu można zrealizować łagodny rozruch maszyny 2

3 napędzanej o regulowanym przebiegu. Jest to ważna zaleta sprzęgieł ciernych, powodująca ich szerokie zastosowanie. g) sprzęgła odśrodkowe posiadają luźne łączniki, które przy obrocie członu czynnego sprzęgła są dociskane wskutek bezwładności do części biernej. Stosowane są jako sprzęgła rozruchowe i mają wszelkie cechy sprzęgieł ciernych. h) sprzęgła jednokierunkowe służą do przenoszenia momentu w jednym kierunku. Moment przenoszony jest, jeżeli prędkość kątowa wału czynnego jest większa niż wału biernego przy tym samym kierunku ruchu. Rys. 1 Podział sprzęgieł Sprzęgła cierne przełączane asynchroniczne Działanie takich sprzęgieł polega na tym, że obydwa człony są dociskane do siebie odpowiednio dużą siłą, dzięki czemu powstaje siła tarcia, umożliwiająca przeniesienie momentu obrotowego. Sprzęgła te przeznaczone są do łączenia wałów obracających się z różnymi prędkościami obrotowymi, zapewniając płynny rozruch bez szarpnięć i drgań. Łącznikiem są pary cierne, wykonane z materiałów wytrzymałych na naciski, obciążenia cieplne i odpornych na zużycie oraz o dużym współczynniku tarcia. W zależności od cech geometrycznych łącznika (kształtu) rozróżnia się wiele 3

4 odmian konstrukcyjnych tych sprzęgieł, różniących się kierunkiem i sposobem wywoływania siły dociskającej, kształtem powierzchni łącznika, liczbą powierzchni ciernych. W zależności od kierunku działania siły docisku P w można wyróżnić sprzęgła włączane promieniowo, osiowo i obwodowo. Kształt powierzchni ciernych może być płaski (c, e) walcowy (a, b, h, j, k) lub stożkowy (d, f, g). Gdy pod uwagę weźmie się liczbę powierzchni ciernych sprzęgła mogą być wielotarczowe - przy dość małych wymiarach przenoszą duże momenty obrotowe (e, f, g, j) i jednotarczowe - przy takim samym momencie lepiej oddają ciepło są jednak znacznie większe i droższe (a, b, c, d, h, k). Rys. 2 Odmiany konstrukcyjne sprzęgieł ciernych Proces włączania sprzęgła ciernego składa się z dwóch etapów: I. Poślizgu sprzęgła przy nieruchomym wale napędzanym, trwa on do czasu, póki narastający w procesie włączania sprzęgła moment obrotowy M t jest mniejszy od początkowego momentu oporu M 2 na wale biernym (mały przy rozruchu maszyn na biegu jałowym, duży przy 4

5 rozruchu pod obciążeniem). Energia napędu potrzebna do rozpędzenia wału biernego zamienia się na ciepło. II. Poślizg sprzęgła przy rozpędzającym się wale napędzanym, trwa on do czasu, póki prędkość obrotowa wału biernego nie zrówna się z prędkością wału czynnego. Połowa energii napędu w czasie rozruchu na wale biernym zamieniana jest na ciepło. Zamiana mocy w ciepło następuje jedynie w okresie występowania poślizgu pomiędzy członami sprzęgła. Rys. 3 Przebieg włączania maszyny przy użyciu sprzęgła ciernego Jeżeli moment tarcia M t i moment oporu maszyny roboczej M 2 zakłada się jako stałe w określonym czasie, to moment rozruchowy w napędzie M = M M = r t 2 const 5

6 Przyspieszenie kątowe wału napędzanego: ε = M r I 2 Czas potrzebny do wyrównania prędkości kątowych obydwu członków sprzęgła wyniesie: I M ω ω t r = = ε By po załączeniu sprzęgło pracowało bez poślizgu powinien być spełniony warunek: moment tarcia spoczynkowego M t0 przy włączonym sprzęgle będzie większy od największej chwilowej wartości przenoszonego momentu obrotowego: M t > km 0 0 Moment tarcia przy znanej konstrukcji sprzęgła obliczamy z zależności: M = µ NR t 0 śr gdzie: µ - współczynnik tarcia między wykładzinami sprzęgła, N wypadkowa nacisków normalnych na powierzchni tarcia, R śr obliczeniowy promień tarcia ( R ) R śr 0,5 + R gdzie: R max i R min odpowiednio największy i najmniejszy promień powierzchni tarcia. max r min Przenoszony przez sprzęgło moment obrotowy obliczamy przy założeniu równomiernego rozkładu nacisków jednostkowych na wykładzinach ciernych. Rys. 4 Schemat sprzęgła ciernego dwutarczowego 6

7 Średni nacisk między tarczami ciernymi: p lub gdy znamy moment tarcia 0 = P w π ( D D ) p 0 1 2M bd t 0 = πµ Pw = πbd gdzie: P w siła włączania sprzęgła, b robocza szerokość tarcz, D śr - średnia średnica roboczej powierzchni tarcz. Zaleca się by stosunek (współczynnik Ψ) roboczej szerokości b i średniej średnicy tarcz D śr był w przybliżeniu równy 0,25. Jeżeli wybrano materiał na okładziny o znanym nacisku dopuszczalnym, to można wyznaczyć konieczna liczbę powierzchni tarcia: dop śr 2M 0 πµ p ψd z = 3 gdzie: k z współczynnik uwzględniający liczbę tarcz ciernych w sprzęgle k z = 0,76 1 dla z = Dla sprzęgieł suchych k z = 1. W sprzęgłach ciernych o pochylonych względem osi powierzchniach ciernych potrzebna siła docisku tarcz jest znacznie mniejsza niż w sprzęgłach tarczowych. Schemat działania sił w sprzęgle stożkowym przedstawia rysunek poniżej. śr P k dop z śr P dop Rys. 5 Schemat sprzęgła ciernego stożkowego 7

8 Siła tarcia na powierzchniach ciernej jest równa sile obwodowej działającej na sprzęgło: T P = µ N = 0 gdzie: N- nacisk normalny na powierzchni ciernej, pochodzący od siły docisku tarcz. W przypadku równomiernego nacisku na powierzchniach ciernych uzyskuje się: P w = P 0 µ cosα + sinα 2M sinα 0 = cosα + µ D µ śr Moment tarcia przenoszony przez sprzęgło wynosi: D D π śr śr M = P = Nµ = µ p bd t śr W zależności od wielkości nachylenia powierzchni ciernych do osi sprzęgła α oraz kąta tarcia µ = tg ρ sprzęgła stożkowe mogą być samohamowne lub niesamohamowne. Warunek samohamowności sprzęgła stożkowego ma postać: tg α µ lub α ρ Dla uniknięcia zaklinowania sprzęgła, uniemożliwiającego wyłączenie sprzęgła, należy przyjmować α arctg µ = ρ. Przykładowo dla materiałów ciernych metalowych α 6-7 a dla pary ciernej skóra - metal α Jeżeli znamy materiał pary ciernej i przyjmiemy równowartość momentu tarcia M t0 z przenoszonym momentem obrotowym M 0, możemy wyznaczyć szerokość tarczy ciernej: 2M t 0 b = πµ p D dop 2 śr 8

9 Budowa stanowiska Rys. 6 Stanowisko laboratoryjne Stanowisko składa się z (rys. 6): Układu napędzającego 1 (silnik z przekładnią pasową) Sprzęgła zanurzonego w oleju 2 Hamulca ciernego taśmowego 3 Obrotościomierza 4 Silnik zasilany jest prądem przemiennym poprzez falownik, przeniesienie obrotów następuje poprzez przekładnie pasową. Dzięki zastosowaniu falownika uzyskuje się płynną regulacje obrotów. Badane sprzęgło cierne umieszczone jest w pojemniku z olejem (rys. 7), który służy do odprowadzania nadmiaru ciepła powstającego podczas poślizgu sprzęgła. Rys. 7 Sprzęgło zanurzone w oleju 9

10 Do załączenia sprzęgła służy specjalna dzwignia widoczna na rysunku 6. Natomiast do wywołania odpowiedniej siły hamowania (obciążania sprzęgła) służy druga dzwignia, którą obciąża się ciężarkami o znanej masie. Poślizg sprzęgła wyznacza się na podstawie różnicy obrotów przed i za sprzęgłem, do czego służy obrotościomierz. Odczytuje on obroty dzięki czujnikom, które zliczają zęby na specjalnych tarczach zamocowanych na wale przed i za sprzęgłem. Ćwiczenie polega na tym, że obciążamy załączone sprzęgło znaną siła wywołaną ciężarkami o znanej masie powodując wzrost momentu obciążającego (symulujący przeciążenie maszyny), który powoduje poślizg pomiędzy tarczami sprzęgła. Wartość tego poślizgu wyznaczamy z różnicy prędkości i wykreślamy krzywą, funkcje poślizgu w zależności od momentu obciążającego. Temat 2: Budowa i charakterystyka przekładni (1h) Przekładnia mechaniczna mechanizm służący do przenoszenia energii, zazwyczaj wraz ze zmianą prędkości obrotowej i momentu. Przyczyny stosowania przekładni mechanicznych: Funkcjonalne: konieczność dostosowania prędkości obrotowej napędu do maszyny roboczej, zmiana kierunku obrotów maszyny, wymagany jest większy moment niż jest w stanie wytworzyć silnik. Konstrukcyjne: konieczność przeniesienia napędu na pewną odległość (silnik musi być oddalony od układu roboczego), zmniejszenie gabarytu maszyny poprzez ustawienie równoległe silnika i układu roboczego. Ekonomiczne: możliwość zastosowania jednego układu napędowego do kilku układów roboczych, możliwość zastosowania tańszego silnika z przekładnią wielostopniową dla uzyskania większego zakresu prędkości maszyny roboczej. Ze względu na element przenoszący moment przekładnie dzielimy na: Bezpośrednie przeniesienie napędu występuje między dwoma elementami. Pośrednie w przeniesieniu napędu występuje dodatkowy element. 10

11 Przekładnie mechaniczne możemy podzielić również ze względu na sposób przekazywania napędu na: Cierne przeniesienie napędu oparte jest na tarciu między dwoma powierzchniami. Kształtowe przeniesienie napędu oparte jest na zazębianiu się elementów. Zaletami przekładni ciernych bezpośrednich są: prosta konstrukcja, brak elementów dodatkowych, odporność na przeciążenia. Natomiast wady to: duży poślizg = mała sprawność, brak możliwości synchronizacji położenia. Przekładnie cierne pośrednie, w których łącznikiem jest pas klinowy lub płaski, maja następujące zalety: prosta konstrukcja, możliwe przekazywanie napędu na dużych odległościach, mała wrażliwość na niedokładności wykonawcze. Ich wady to: poślizg na pasach spadek mocy (zmniejszona sprawność), brak możliwości synchronizacji położenia. Przekładnia łańcuchowa charakteryzuje się następującymi zaletami: dużą wytrzymałością, możliwością przekazywania napędu na dużych odległościach, brakiem poślizgu. Do wad zaliczamy: dodatkowy, skomplikowany element, duża głośność. Przekładnia zębata, czyli kształtowa bezpośrednia posiada następujące zalety: najwyższa sprawność (0,98 0,99), duża niezawodność, małe zużycie, duża zwartość, możliwość przenoszenia dużych mocy. Wady takich przekładni to: hałaśliwość, duży koszt wykonania, brak odporności na przeciążenia. Przekładnie zębate możemy podzielić ze względu na miejsce zazębienia na: przekładnie o zazębieniu zewnętrznym i wewnętrznym. a) b) Rys. 8 przekładnie zębate a) zazębienie zewnętrzne b) zazębienie wewnętrzne Ze względu na ruchomość osi możemy podzielić na: przekładnie o osiach stałych i planetarne (przynajmniej jedna oś przemieszcza się względem korpusu). 11

12 Ze względu na położenie wzajemne osi możemy podzielić na: przekładnie równoległe, kątowe o osiach przecinających się, wichrowate (hipoidalne) osie obu kół nie przecinają się. Ze względu na kształt kół zębatych przekładnie dzielimy na: walcowe, stożkowe, ślimakowe. Natomiast ze względu na kształt linii zęba przekładnie dzielimy na: o zębach prostych, o zębach śrubowych, o zębach daszkowych i o zębach łukowych. Dla zapewnienia łatwego wchodzenia zęba jednego koła we wrąb drugiego koła, między zębami pozostawia się pewne określone luzy, które zabezpieczają przed skutkami niedokładności wykonania, rozszerzalnością cieplną oraz ułatwiają ruch oleju. Z drugiej strony zbyt duże luzy mogą powodować wzrost hałasu, wzrost nacisków o złe zużywanie się zębów. Rozróżniamy następujące luzy: Luz wierzchołkowy c najmniejsza odległość w osi O1O2 między walcem stop jednego koła a walcem wierzchołków koła współpracującego. Luz międzyzębny j n najkrótsza odległość między niepracującymi bokami zęba przy istnieniu kontaktu boków pracujących. Luz obwodowy j t długość łuku tocznego, o który można obrócić koło, aby doprowadzić boki niepracujące do styku Rys. 9 Luzy w przekładni zębatej 12

13 Ćwiczenie polega na zmierzeniu i wyregulowaniu obwodowych luzów międzyzębnych w przekładni napędzającej rozrząd w silnikach B 3012 SS. Mierzenie luzów odbywa się przy pomocy drutu cynowego bądź ołowianego, który odciska się pomiędzy zębami przekładni i mierzy się grubość odcisku za pomocą suwmiarki. Uzyskane wartości porównuje się z wartościami normatywnymi i dokonuje się ewentualnej regulacji. Regulacja luzów odbywa się za pomocą specjalnego mechanizmu mimośrodowego, składający się z mimośrodowej tulei i wałka z mimośrodem, który zaprojektowano specjalnie dla tej przekładni. Mechanizm mimośrodowy pozwala na zmianę położenia osi koła pośredniego względem osi koła głównego o koła rozrządu o w ten sposób wyregulowanie luzu. Temat 3: Budowa wybranych urządzeń mechatronicznych (1h) Urządzenie mechatroniczne - jest to urządzenie o budowie modułowej, którego głównym i ostatecznym zadaniem jest wykonanie czynności mechanicznej (pracy). Aby urządzenie można było nazwać mechatronicznym musi ono zawierać 3 podstawowe moduły: Moduł sterowania zawierający mikroprocesor lub mikrokomputer, a w bardziej skomplikowanych konstrukcjach jednostkę CPU - procesor. W module strowania wykorzystywane są również mikrokontrolery. Moduł wykonawczy. Moduł sensorów. W ćwiczeniu tym będziemy omawiać wybrane urządzenia mechatroniczne takie jak sterowany cyfrowo zawór pneumatyczny. 13

14 Rys. 10 Fragment stanowiska do badania zaworu pneumatycznego sterowanego cyfrowo Rys.11 Stanowisko badawcze z zaworem, układem napędowym wirnika zaworu i siłownikiem z tłoczyskiem opartym sprężyście Rys. 12 Widok siłownika pneumatycznego z tłoczyskiem oparty sztywno 14

15 Rys. 13 Widok siłownika pneumatycznego z tłoczyskiem opartym sprężyście Temat 4 (4h): Budowa wybranych typów maszyn technologicznych (projektowanie) W grupie maszyn produkcyjnych najważniejszą grupę stanowią maszyny technologiczne przeznaczone do wykonywania różnorodnych elementów maszyn i urządzeń. W zależności od różnych technologii maszyny technologiczne dzielimy na: - maszyny do obróbki skrawaniem (obrabiarki skrawające), - maszyny do obróbki plastycznej, - maszyny i urządzenia odlewnicze, - maszyny do łączenia i spawania metali, - maszyny do przetwarzania tworzyw sztucznych, - maszyny do obróbki erozyjnej. Każda obrabiarka do metali składa się z pewnej liczby zespołów posiadających różne mechanizmy, które w zależności od rodzaju obrabiarki i wykonywanej na niej pracy nadają zespołom lub ich elementom ściśle określone ruchy. Mechanizmy składają się z elementów, które tworzą pary kinematyczne (np. zazębiające się koła zębate, śruba z nakrętką itp.). Natomiast szereg par współpracujących ze sobą tworzy łańcuch kinematyczny. Łańcuch kinematyczny może otrzymywać ruch bezpośrednio ze źródła napędu albo za pośrednictwem innego łańcucha kinematycznego. Łańcuch kinematyczny zewnętrzny to taki łańcuch, który przenosi ruch ze źródła napędu na mechanizmy robocze obrabiarki i mający wpływ na szybkość ruchu głównego i posuwowego. 15

16 Łańcuch kinematyczny wewnętrzny to taki, który ma wpływ na kształtowanie powierzchni obrabianej. Dwa lub więcej łańcuchów kinematycznych, powiązanych ze sobą funkcjonalnie tworzy układ kinematyczny obrabiarki. Schemat kinematyczny jest to przestawienie w postaci rysunku złożonego z symboli graficznych układu kinematycznego obrabiarki. Czytanie schematów kinematycznych wymaga poznania symboli stosowanych do oznaczeń elementów obrabiarki. Rys. 14 Układ kinematyczny tokarki kłowej uniwersalnej, typ TUM-25 Klasyfikacja obrabiarek skrawających: a) tokarki: uchwytowe, kłowe, tarczowe, rewolwerowe, karuzelowe, 16

17 zataczarki, b) wiertarki: stołowe, stojakowe, współrzędnościowe, c) frezarki: poziome, pionowe, wiertarko-frezarki, d) wytaczarki, e) piły, f) strugarki: poprzeczne, wzdłużne, dłutownice g) przeciągarki, h) szlifierki: do płaszczyzn, do otworów, dogładzarki, docieraczki, polerki, Budowa tokarki typu TUM 25 Rys. 15 Elementy obsługi tokarki TUM-25a. 17

18 Ćwiczenie będzie polegało na zaprojektowaniu 6 stopniowej skrzynki prędkości w układzie 3x2 i przedstawieniu rysunkowym schematu kinematycznego oraz wykresu strukturalnego takiej skrzynki. Temat 5 (4h): Projektowanie organizacji montażu Projektowanie zorientowane na wytwarzanie i montaż DFMA (Design for Manufacturing and Assembly) Rosnąca złożoność problemów inżynierskich, krótkie czasy realizacji projektów, czy konieczność wielokryterialnej optymalizacji wyrobu sprawiają, że spełnienie wszystkich wymagań stawianych konstrukcji nie jest zadaniem łatwym. Projekt końcowy winien być, bowiem spełnieniem oczekiwań klientów, ale także inżynierów odpowiedzialnych za wytwarzanie, serwis czy utylizację. Aby ułatwić spojrzenie na produkt z wielu perspektyw, często stosuje się metodologię DFMA (ang. Design for Manufacturing and Assembly) - projektowanie zorientowane na wytwarzanie i montaż. Przywołana filozofia projektowania polega na uwzględnieniu wszystkich głównych etapów życia wyrobu (z akcentem na wytwarzanie i montaż) już na wczesnym etapie konstruowanie produktu. Odzwierciedlenie większości wymagań stawianych produktowi pozwala przede wszystkim zadowolić klienta, ale co równie ważne - poprawić jakość wyrobu, obniżyć koszty produkcji oraz skrócić czas wytwarzania. 18

19 Rys. 16 Montaż jako składnik procesu produkcyjnego Istotność projektowania dla montażu wynika z faktu, że koszty montażu stanowią znaczną część całkowitego kosztu wytwarzania. Dlatego sposób i kolejność montażu powinny być przedmiotem analizy realizowanej we wczesnych etapach projektowania, a wybór struktury i postaci konstrukcyjnej powinien uwzględniać wymagania montażu. Temat 6 (4h): Projektowanie współbieżne na przykładzie statku 19