Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych

Transkrypt

1 Studia Inżynierskie Dzienne (I stopnia) Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych Wykład sem. 3, rok akad. 2016/2017 Wprowadzenie Połączenia rozłączne i nierozłączne Materiały konstrukcyjne Opracował: dr inż. Wiesław Mościcki Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Zakład Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych

2 Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych Semestr 3 Wykład 15 godzin dr inż. Wiesław Mościcki, pok. 616 Ćwiczenia projektowe 30 godzin kierujący: dr inż. Wiesław Mościcki, pok. 616 mail: W.Moscicki@mchtr.pw.edu.pl Wprowadzenie

3 Program przedmiotu 1. Program wykładu - wprowadzenie (1h) - elementy sprężynujące (6h) - prowadnice (1h) - połączenia nierozłączne i rozłączne (6h) - materiały konstrukcyjne (1h) 2. Program ćwiczeń projektowych - moduł stolika liniowego (15h) - zadania badawcze (2) (4h) - ćwiczenie z AutoCAD-a (4h) - zespół napędu liniowego (ZK) (6h) - Praca Kontrolna I i II (1h) Wprowadzenie

4 1. Wykład - 20pkt. Tryb zaliczania przedmiotu PK1+PK2: 2+2 pytania, czas trwania 30+20min. PK1 11 tydzień, PK2 13 tydzień do zaliczenia wymagane jest 10,5 pkt. 2. Ćwiczenia projektowe - 30pkt. do zaliczenia wymagane jest 15,5pkt. systematyczność i terminowość, gwarancja zaliczenia 3. Zaliczenie przedmiotu PKUP zaliczenie wykładu i projektowania oraz uzyskanie minimum 26pkt., jedna ocena z przedmiotu Wprowadzenie

5 Literatura Oleksiuk W., Paprocki K.: Konstrukcja mechanicznych zespołów sprzętu elektronicznego. WK i Ł, Warszawa Wprowadzenie

6 Literatura Tryliński W.: Drobne mechanizmy i przyrządy precyzyjne. Podstawy konstrukcji. WNT, Warszawa Wprowadzenie

7 Literatura Oleksiuk W. red. : Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. WNT, Warszawa, Wprowadzenie

8 Literatura Mościcki W. red.: Podstawy konstrukcji urządzeń precyzyjnych. Ćwiczenia laboratoryjne. OW PW, Warszawa Wprowadzenie

9 Literatura Potrykus J. red.: Poradnik mechanika. Wyd. Rea, Warszawa 2009, Licencja Europa-Lehrmittel Verlag 1. Wprowadzenie

10 Oleksiuk W.: Wybrane zagadnienia z podstaw konstrukcji przyrządów precyzyjnych. Wydawnictwo PW, 1979 Dobrzański T.: Rysunek techniczny maszynowy. Podręcznik, Szkoły wyższe, Wydawnictwo NT Poradniki internetowe Materiały pomocnicze: Literatura Wprowadzenie

11 Krajowe Ramy Kwalifikacji Kompetencje w zakresie wiedzy: Ma wiedzę na temat konstrukcji i podstawowych właściwości połączeń mechanicznych oraz elementów sprężynujących występujących w urządzeniach mechatronicznych, w tym w zakresie doboru materiałów Mechatronika : K_W13 i K_W15 Automatyka i Robotyka: K_W13 Symbol K_W13 Efekty kształcenia kierunku Mechatronika prowadzonego przez Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Po ukończeniu studiów pierwszego stopnia na tym kierunku studiów absolwent uzyskuje Ma uporządkowaną wiedzę w zakresie grafiki inżynierskiej oraz konstrukcji urządzeń precyzyjnych z zastosowaniem komputerowego wspomagania projektowania Efekty kształcenia kierunku MCHTR prowadzonego przez Wydział Mechatroniki PW T1A_W03 T1A_W04 Wprowadzenie

12 Kompetencje w zakresie umiejętności: Potrafi zaprojektować prosty zespół mechaniczny urządzenia, przeprowadzić niezbędne obliczenia konstrukcyjne i sprawdzające oraz wykonać dokumentację konstrukcyjną z wykorzystaniem programu AutoCAD Mechatronika: Automatyka i Robotyka: Symbol Krajowe Ramy Kwalifikacji K_U02, K_U08, K_U014, K_U024 K_U02 Efekty kształcenia kierunku Mechatronika prowadzonego przez Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Efekty kształcenia kierunku MCHTR prowadzonego przez Wydział Mechatroniki PW K_U02 Po ukończeniu studiów pierwszego stopnia na tym kierunku studiów absolwent uzyskuje Potrafi przygotować w języku polskim dokumentację zadania inżynierskiego i opis jego wyników oraz przedstawić je za pomocą różnych technik, w szczególności umie opracowywać schematy blokowe urządzeń i dokumentację techniczną podzespołów. T1A_U02 T1A_U07 Wprowadzenie

13 Krajowe Ramy Kwalifikacji Kompetencje społeczne: Potrafi pracować w zespole zarówno jako uczestnik podczas przeprowadzania eksperymentów jak też jako oceniany lub oceniający przy omawianiu projektów zespołów mechanicznych Mechatronika: Automatyka i Robotyka: K_K04 K_K04 Symbol K_K04 Efekty kształcenia kierunku Mechatronika prowadzonego przez Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Po ukończeniu studiów pierwszego stopnia na tym kierunku studiów absolwent uzyskuje Ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną i zespołu, którego jest członkiem i zna zasady działania w sposób profesjonalny i zgodny z etyką zawodową Efekty kształcenia kierunku MCHTR prowadzonego przez Wydział Mechatroniki PW T1A_K03 T1A_K04 T1A_K05 Wprowadzenie

14 Wprowadzenie Wprowadzenie

15 Wprowadzenie Podstawy Konstrukcji Maszyn Maszyny: silniki, generatory, maszyny robocze Big Boy - największa lokomotywa świata Wprowadzenie

16 Wprowadzenie Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych Urządzenia precyzyjne: mikroskop mikrokator maszyna do szycia aparat fotograficzny Wprowadzenie

17 Urządzenie mechatroniczne Wprowadzenie

18 MECHAnika + elektronika Pojęcie wprowadzone jako nazwa handlowa w 1971r przez japońską firmę Yaskawa Electric Corporation. Mechatronika rozumiana była wtedy jako działalność projektowo-konstrukcyjna polegająca na włączeniu elementów i układów elektronicznych do struktury funkcjonalnej różnych mechanizmów precyzyjnych. W 1982r firma Yaskawa Electric Corporation zrezygnowała z ochrony patentowej nazwy i od tej pory wszyscy mogą używać określenia mechatronika. W 1996 r. Rada Wydziału Mechaniki Precyzyjnej zatwierdziła zmianę nazwy na Wydział Mechatroniki. Wprowadzenie

19 Historia Mechatroniki Pierwszym na świecie urządzeniem mechatronicznym była obrabiarka sterowana numerycznie (CNC), skonstruowana w Massechusets Institute of Technology (USA) w 1952r., przeznaczona do produkcji śmigieł helikoptera. Przyjmuje się, że urządzenia mechaniczne, budowane do końca lat 60-tych XX wieku, w których pojawiają się elementy i układy elektryczne i elektroniczne to - I generacja mechatroniki. Wprowadzenie

20 Historia Mechatroniki Rozwój informatyki od początku lat 70-tych XX wieku, szczególnie powstanie pierwszych mikroprocesorów, spowodował znaczną poprawę funkcjonalności i parametrów technicznych urządzeń mechanicznych. Urządzenia z tego okresu to II generacja mechatroniki. W latach 80-tych zaczęły powstawać pierwsze zintegrowane elementy elektroniczne oraz pierwsze minikomputery (PC). Powstają warunki do budowy zespołów (układów) zdolnych do sterowania pracą wielofunkcyjnych urządzeń, maszyn i systemów, o dużej złożoności konstrukcji. Jest to początek mechatroniki III generacji. Wprowadzenie

21 Historia Mechatroniki Wprowadzenie

22 Aparat fotograficzny dawniej Aparat fotograficzny obecnie Popularne cyfrowe aparaty fotograficzne Cyfrowy aparat fotograficzny w telefonie komórkowym Wprowadzenie

23 MECHATRONIKA obecnie Działalność inżynierska prowadzona nie tylko w obszarze mechaniki precyzyjnej - obejmująca projektowanie, badania oraz eksploatację maszyn i urządzeń, w których występuje wysoki poziom funkcjonalnej integracji układów mechanicznych z elektroniką i sterowaniem komputerowym. Celem mechatroniki jest poprawienie funkcjonalności systemów technicznych oraz tworzenie nowych koncepcji maszyn i urządzeń z wbudowaną sztuczną inteligencją. Mechatronika jest dziedziną interdyscyplinarną integrującą klasyczne dyscypliny. Wprowadzenie

24 MECHATRONIKA definicje Fuzja dyscyplin mechanicznych i elektrycznych w nowoczesnych procesach inżynierskich. Synergiczne połączenie inżynierii mechanicznej (np. mechaniki precyzyjnej) z elektroniką oraz inteligentnym sterowaniem w celu projektowania, wytwarzania i eksploatacji produktów (procesów). Synergiczny współdziałający z innymi w celu wzmocnienia działania, dający większy efekt niż suma możliwości elementów składowych. Marek Gawrysiak Mechatronika i projektowanie mechatroniczne Wprowadzenie

25 Struktura urządzenia mechatronicznego Wprowadzenie

26 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Pułapka na myszy Wprowadzenie

27 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Motoreduktor mechatroniczny Wprowadzenie

28 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Urządzenia biurowe: drukarki laserowe i atramentowe, kserokopiarki nowej generacji, skanery, plotery Wprowadzenie

29 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Sprzęt audio-video: miniaturowe kamery video, odtwarzacze DVD, cyfrowe aparaty fotograficzne, projektory multimedialne Wprowadzenie

30 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Robot inspekcyjny Line Scout Robot ratowniczy Quince Robot FANUC LR Mate Wprowadzenie

31 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Asimo Roboty humanoidalne Nao H25 Wprowadzenie

32 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Bezzałogowe aparaty latające Wprowadzenie

33 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Nowoczesne zabawki Wprowadzenie

34 Urządzenia mechatroniczne - przykłady Obrabiarki sterowane numerycznie (CNC) Urządzenia automatyki przemysłowej Wprowadzenie

35 Urządzenia mechatroniczne - przykłady - sprzęt gospodarstwa domowego (np. pralki, lodówki, roboty kuchenne, itp.), - automatyka domowa, - aparatura medyczna i pomiarowa, - sterowane cyfrowo nowoczesne maszyny (automaty) produkcyjne i użytkowe (np. bankomat), - satelity i stacje kosmiczne, samoloty, - maszyny rolnicze i drogowe nowej generacji, - mechatroniczne samochody (silnik spalinowy sterowany elektronicznie, ABS, system kontroli trakcji, itp.) Wprowadzenie

36 Największe na świecie urządzenie mechatroniczne Maeslantkering wrota otwierające i zamykające drogę wodną do portu w Rotterdamie (elementy śluzy mają po 237 m długości i 22 m wysokości). Budowa w latach , koszt ok. 3 mld dolarów Wprowadzenie

37 Cechy zespołów mechanicznych w urządzeniach mechatronicznych przeznaczone do odbierania, przetwarzania i przechowania informacji (sygnały elektryczne, optyczne, pneumatyczne, itp.), rzadko służą do przetwarzania znacznych energii lub do przemieszczania dużych mas, zwykle mają dużą dokładność działania i dużą czułość, duża niezawodność, gdyż koszt przestoju, np. linii technologicznej, może przekroczyć koszt naprawy, coraz większa miniaturyzacja zespołów mechanicznych jako następstwo małych wymiarów układów elektronicznych oraz ogólnych wymagań stawianych urządzeniu (np. mobilność) Wprowadzenie

38 Wprowadzenie

39 Podstawy Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych Główne elementy i zespoły mechaniczne urządzeń mechatronicznych: Semestr 3 - elementy sprężynujące - połączenia Semestr 4 - łożyskowania i prowadnice - sprzęgła - przekładnie mechaniczne - mechanizmy funkcjonalne. Wprowadzenie

40

41 Wprowadzenie służą do zmagazynowania energii odkształcenia po to, aby: tę energię oddać w postaci pracy, działać na inny element siłą lub momentem. wykonuje się z materiałów mało odkształcalnych, a więc głównie metali, a ich znaczne odkształcenie uzyskuje się przez nadanie im odpowiedniego kształtu. Zwykle wykorzystuje się je w granicy sprężystości materiału.

42 Wytrzymałość stali na zrywanie - oznaczenia P P - siła rozciągająca Δl - przyrost długości próbki 0 Δl

43 Wytrzymałość stali na zrywanie - oznaczenia P P H P - siła rozciągająca Δl - przyrost długości próbki P H - siła końca zakresu liniowości 0 Δl

44 Wytrzymałość stali na zrywanie - oznaczenia P P - siła rozciągająca Δl - przyrost długości próbki P e P H P e P H - siła końca zakresu liniowości P e - siła granicy plastyczności 0 Δl

45 Wytrzymałość stali na zrywanie - oznaczenia P P m P e P H P e P m P - siła rozciągająca Δl - przyrost długości próbki P H - siła końca zakresu liniowości P e - siła granicy plastyczności P m - siła maksymalnego obciążenia próbki 0 Δl

46

47 Wytrzymałość stali na zrywanie Definicje 1. Granica proporcjonalności R H jest to naprężenie, po przekroczeniu którego materiał nie podlega prawu Hooke a 2. Granica plastyczności R e jest to naprężenie, po osiągnięciu którego występuje wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu, lub nawet przy spadku obciążenia 3. Umowna granica plastyczności R e0,2 to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,2% długości pomiarowej 4. Wytrzymałość materiału na rozciąganie R m jest to iloraz największej siły P m przenoszonej przez próbkę do pierwotnego pola przekroju próbki

48 Charakterystyka elementu sprężystego W obszarze proporcjonalności słuszna jest zależność: P k l M k' k, k sztywność elementu sprężystego, wyrażająca obciążenie na jednostkę odkształcenia

49 Energia akumulowana w elemencie sprężystym

50 Energia sprężystości akumulowana przy rozciąganiu (ściskaniu) P P P x L - energia akumulowana równa energii odkształcenia P - siła obciążająca l - skrócenie lub wydłużenie elementu obciążanego (ściskanego lub rozciąganego) l V - objętość elementu L x c, r, - naprężenia: przy ściskaniu (c), przy rozciąganiu (r) E - moduł sprężystości wzdłużnej P Δl x Δl F - powierzchnia przekroju - odkształcenie względne

51 Energia sprężystości akumulowana przy rozciąganiu (ściskaniu) P P P c, r F l P x l l L x P Δl x Δl c.r E

52 Energia sprężystości akumulowana przy rozciąganiu (ściskaniu) P P L x 1 P 2 x l x l P x L x L x 1 2 x F E x l P Δl x Δl L c,r E V

53 Energia sprężystości akumulowana przy zginaniu Wzór ogólny L 1 2 Mg L - energia akumulowana, M g - moment zginający, φ odkształcenie, g - naprężenia przy zginaniu, E - moduł sprężystości (Younga), V - objętość elementu L g E V dla przekroju prostokątnego L g V E dla przekroju kołowego

54 Energia sprężystości akumulowana przy skręcaniu Wzór ogólny L 2 1 M s s L - energia akumulowana, M s - moment skręcający, φ s - odkształcenie kątowe, s - naprężenia przy skręcaniu, G - moduł sprężystości postaciowej, V - objętość elementu L G s V dla przekroju kołowego

55 Energia odkształcenia sprężystego L 2 E V - gdy występują naprężenia normalne: rozciąganie, ściskanie, zginanie L 2 s G V - gdy występują naprężenia styczne: skręcanie - współczynnik zależny od kształtu przekroju poprzecznego oraz od stanu obciążenia

56 Energia odkształcenia sprężystego - oznaczenia E - współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga), G - współczynnik sprężystości postaciowej (moduł Kirchoffa), P - siła obciążająca element przy ściskaniu lub rozciąganiu, M g, M s - moment obciążający przy zginaniu (g), skręcaniu (s), c, r, g - naprężenia przy ściskaniu (c), rozciąganiu (r) lub zginaniu (g), s - naprężenia przy skręcaniu, l odkształcenie elementu ściskanego (rozciąganego),, s - odkształcenie elementu przy zginaniu (g), skręcaniu (s), V - objętość elementu, - współczynnik zależny od kształtu przekroju poprzecznego oraz od stanu obciążenia

57 Energia odkształcenia sprężystego W urządzeniach precyzyjnych element sprężysty powinien być zaprojektowany tak, aby przy zadanym odkształceniu akumulował maksymalną energię i miał małą objętość. Można to osiągnąć tylko wtedy, gdy w jednostce objętości tego elementu będzie gromadzona maksymalnie duża energia. A to oznacza, że wyrażenie: powinno mieć możliwie maksymalną wartość dla różnych przekrojów drutu i stanu obciążenia. L V Możliwie dużą wartość muszą osiągnąć zatem prawe strony w poniższych wyrażeniach: L V 2 E L V 2 s G

58 Energia odkształcenia sprężystego Aby w jednostce objętości zgromadzić możliwie dużą energię należy: - dobierać kształt przekroju poprzecznego elementu tak, aby był on korzystny dla występującego w tym przekroju stanu naprężeń Wtedy wartość współczynnika będzie duża. - dobierać materiały o właściwościach mechanicznych zapewniających maksymalnie dużą wartość wyrażeń: 2 c,r,g E max 2 s G max max

59 Energia odkształcenia sprężystego Takie wymagania spełniają następujące materiały: - metale (głównie stale): mają duże wartości współczynników sprężystości E i G (tzn. są sztywne i mało się odkształcają), ale także mają duże wartości dopuszczalnych naprężeń oraz, - guma: ma mniejsze wartości współczynników E i G (jest bardziej podatna), ale ma również mniejsze wartości naprężeń oraz. Wymagane zazwyczaj duże odkształcenie elementów sprężystych wykonanych z metali, uzyskuje się przez nadanie im odpowiedniego kształtu. Stąd sprężyny śrubowe, spiralne, itp.

60 Niedoskonałość sprężysta materiałów w2

61 Niedoskonałość sprężysta materiałów Zgodnie z prawem Hooke a, odkształcenie elementu w funkcji obciążenia ma charakter liniowy i odwracalny. To twierdzenie opisuje pewien idealny model materiału. Całkowicie pomija ono jednak wpływ kilku bardzo istotnych czynników, takich jak: sposób przyłożenia obciążenia w czasie, czas trwania obciążenia Ich uwzględnienie ujawnia cechy materiałów, które nieco zmieniają idealny obraz opisany prawem Hooke,a. W rzeczywistych materiałach poddanych działaniu obciążeń w czasie (m. in. na elementy sprężynujące, śruby, wkręty, itp.) występuje zjawisko niedoskonałości sprężystej. Objawia się ona w następującej postaci: opóźnienie sprężyste, relaksacja histereza sprężysta

62 Opóźnienie sprężyste materiałów Element sprężynujący osiąga pełne odkształcenie nie bezpośrednio po przyłożeniu obciążenia (ugięcie f1), ale dopiero po upływie pewnego czasu (ugięcie f3). Między przyczyną (obciążenie) a skutkiem (odkształcenie) występuje zatem opóźnienie.

63 Opóźnienie sprężyste materiałów OF = t 1 - opóźnienie przy obciążaniu FG = t 2 - opóźnienie przy odciążaniu OO 1 = GM - histereza opóźnienia sprężystego Przebieg opóźnienia sprężystego

64 Relaksacja Mimo stałego odkształcenia elementu sprężynującego, siły w nim występujące maleją wraz z upływem czasu. Zmniejszanie wartości sił odbywa się coraz wolniej, tzn. ujemne przyrosty sił w jednostce czasu zmniejszają się. Ta postać niedoskonałości sprężystej materiału jest istotna m. in. w: zatrzaskach, w układach kasowania luzu, dociskach sprężynowych, itp. 1 rolka, 2 sprężyny kasujące luz, 3 karetka, 4 - prowadnica

65 Histereza sprężysta Przy periodycznym obciążaniu elementu sprężystego ze stałą częstotliwością i amplitudą wystąpi wzrost temperatury materiału. Po pewnej liczbie cykli temperatura przestanie się zmieniać a ponadto, chaotyczne początkowo przebiegi zmian siły i odkształcenia, ustalą się i będą miały powtarzalny przebieg. Wystąpi zjawisko przystosowania się, czyli akomodacji materiału.

66 Histereza sprężysta Energia wymagana do odkształcenia elementu jest zawsze większa od energii odzyskiwanej z tego elementu przy jego powrocie do stanu początkowego. Strata energii jest efektem tarcia wewnętrznego występującego w materiale.

67 Histereza sprężysta W energia dostarczona (akumulowana, zgromadzona) W tr energia tracona (rozproszona) - współczynnik rozproszenia (stratności) Wymienione formy niedoskonałości sprężystej występują w różnym stopniu w materiałach podlegających prawu Hooke a, a więc i w elementach z nich wykonanych, m. in. w sprężynach i elementach złącznych.

68 Źródła niedoskonałości sprężystej materiałów metalowych skład chemiczny materiału, obróbka cieplna i sposób jej przeprowadzenia, obróbka plastyczna materiału (zgniot), kierunek walcowania a wymiary geometryczne elementu sprężystego, sposób obciążenia (szybkość zmian), wartość naprężeń rzeczywistych w stosunku do naprężeń dopuszczalnych, natężenie pola magnetycznego, temperatura otoczenia, konstrukcja zamocowania elementu sprężystego

69 Niedoskonałość sprężysta materiałów Wpływ konstrukcji zamocowania

70 Skutki niedoskonałości sprężystej materiałów Opóźnienie sprężyste zawsze niekorzystne. W przyrządach pomiarowych, w których odkształcenie elementu sprężystego świadczy o wartości wielkości mierzonej wywołuje bowiem błąd pomiaru zależny od czasu jaki upłynie od zadania obciążenia do odczytania wartości odkształcenia. Relaksacja zawsze niekorzystna. Gdy istotny jest stały docisk elementów, np. w układach sprężyn stykowych.

71 Skutki niedoskonałości sprężystej materiałów Histereza sprężysta niekorzystna w przyrządach pomiarowych: przy powolnym narastaniu i zmniejszaniu wartości mierzonej, dla tego samego obciążenia otrzymamy inne wskazania, przy szybkim, wielokrotnym obciążaniu i odciążaniu elementu sprężystego wzrasta jego temperatura, zmieniają się właściwości, powstają straty energii a to wywołuje błąd pomiaru.

72 Skutki niedoskonałości sprężystej materiałów Histereza sprężysta korzystna, gdy element sprężynujący przeznaczony jest do tłumienia drgań: zadaniem elementu jest wtedy rozproszenie energii wywołanej niepożądanymi, z punktu widzenia mechanizmu, drganiami, energia drgań, dzięki dużej histerezie odkształcenia materiału (i dużemu tarciu wewnętrznemu), zostaje zamieniona na ciepło. Amortyzator Element pomiarowy

73 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów

74 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów zmieniają swoje właściwości pod wpływem zmiany temperatury. Jest to spowodowane przez: zmianę wymiarów elementu sprężystego, wskutek rozszerzalności cieplnej materiału, zmianę wartości współczynnika sprężystości wzdłużnej E materiału (modułu Younga). Względną zmianę obciążenia (P/P) elementu sprężynującego, wykonanego z materiału izotropowego, spowodowaną zmianą temperatury o 1 K, przy stałym względnym odkształceniu, można obliczyć ze wzoru: P P k

75 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów P P k współczynnik rozszerzalności liniowej materiału, współczynnik cieplny współczynnika sprężystości wzdłużnej materiału (modułu Younga) E k współczynnik, którego wartość zależy od rodzaju obciążenia, k = 2 przy ściskaniu, rozciąganiu, ścinaniu, k = 3 przy zginaniu, skręcaniu

76 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Miarą zmiany wymiarów elementu jest współczynnik rozszerzalności liniowej materiału -. Jest to względny przyrost długości materiału przy zmianie temperatury o 1K. Wartość współczynnika w zakresie kilkudziesięciu stopni powyżej i poniżej temperatury odniesienia (+20 o ) jest stała, a więc zmiana wymiarów w funkcji temperatury ma w tym zakresie temperatur charakter liniowy.

77 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Wartości współczynnika rozszerzalności liniowej - Mosiądz 20, nowe srebro (MZN15) 18, brąz berylowy 18, brąz fosforowy 17, stal nierdzewna 16, stal węglowa 11, Dla materiałów stosowanych na elementy sprężynujące współczynnik jest dodatni (ogrzanie zwiększa wymiary).

78 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Miarą zmian wartości współczynnika sprężystości wzdłużnej materiału jest jego współczynnik cieplny współczynnika sprężystości wzdłużnej - Przyjmuje się, że wartość współczynnika w zakresie kilkudziesięciu stopni powyżej i poniżej temperatury odniesienia (+20 o ) jest stała. Oznacza to, że zmiana współczynnika sprężystości wzdłużnej E (modułu Younga) w funkcji temperatury ma charakter liniowy w tym zakresie temperatur.

79 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Wartości współczynnika cieplnego współczynnika sprężystości wzdłużnej - mosiądz nowe srebro (MZN15) brąz berylowy brąz fosforowy stal nierdzewna stal węglowa elinwar (12%Cr, 36%Ni, 52%Fe) 0,00

80 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Dla większości materiałów stosowanych na elementy sprężynujące współczynnik ma wartość ujemną. Ogrzanie elementu sprężynującego powoduje zatem zmniejszenie wartości współczynnika sprężystości wzdłużnej materiału - E. Inaczej: Element sprężynujący po ogrzaniu staje się bardziej podatny.

81 Wpływ temperatury na właściwości sprężyste materiałów Wartość bezwzględna współczynnika jest kilkadziesiąt razy większa od wartości współczynnika. Oznacza to, że zmiana właściwości elementu sprężynującego pod wpływem przyrostu temperatury jest wywołana głównie przez zmianę wartości współczynnika cieplnego współczynnika sprężystości wzdłużnej materiału -. Dlatego po ogrzaniu wystąpi: - przy stałym odkształceniu: spadek napięcia elementu sprężynującego, P P - przy stałym obciążeniu: wzrost odkształcenia elementu sprężynującego k

82 Sprężyny Film

83 Przykłady ukształtowania

84 Przykłady ukształtowania

85 Przykłady ukształtowania

86 Naciskowe Naciągowe Skrętowe Napędowe Włosowe Dociskowe Stykowe Rurki Bourdona Membrany Mieszki spręż. Klasyfikacja sprężyn ELEMENTY SPRĘŻYNUJĄCE SPRĘŻYNY EL. SPRĘŻYNUJĄCE SPECJALNE Sprężyny śrubowe Sprężyny spiralne Sprężyny płytkowe Termobimetale Ciśnieniowe elementy spr. Amortyzatory

87 Charakterystyka sprężyn

88 Sprężyny śrubowe

89 Rodzaje sprężyn śrubowych a) naciskowa, b) naciągowa, c) skrętna

90 Rodzaje sprężyn śrubowych a) sprężyna naciskowa b) sprężyna skrętna (skrętowa) c) sprężyna naciągowa,

91 Sprężyny śrubowe naciskowe

92 Sprężyny śrubowe naciskowe Przykłady ukształtowania sprężyn a) walcowa o stałym skoku, b) walcowa o zmiennym skoku, c) baryłkowa, d) klepsydrowa, e) stożkowa

93 Sprężyny śrubowe naciskowe Przykłady ukształtowania sprężyn

94 Sprężyny śrubowe naciskowe Przykłady ukształtowania sprężyn

95 Sprężyny śrubowe naciskowe Przykłady ukształtowania sprężyn

96 Sprężyny śrubowe naciskowe Przykłady ukształtowania zakończeń

97 Charakterystyka sprężyny naciskowej L długość sprężyny, f strzałka ugięcia (odkształcenie), P siła ściskająca sprężynę

98 Wymiarowanie sprężyn śrubowych naciskowych Charakterystyka sprężyny Obróbka cieplna w3

99 Sprężyny śrubowe naciągowe

100 Sprężyny śrubowe naciągowe Ukształtowanie zakończeń wg PN-EN

101 Sprężyny śrubowe naciągowe Ukształtowanie zakończeń wg PN-EN

102 Sprężyny śrubowe naciągowe Przykłady ukształtowania zakończeń

103 Sprężyny śrubowe naciągowe Przykłady zamocowania sprężyn

104 Sprężyny śrubowe naciągowe Charakterystyki sprężyn naciągowych Uzyskanie siły P przy zadanej długości (sprężyny 1 i 2)

105 Sprężyny śrubowe naciągowe Charakterystyki sprężyn naciągowych Uzyskanie sił P p oraz P k przy znanej strzałce roboczej f r

106 Sprężyny śrubowe naciągowe z napięciem własnym P o napięcie własne 1 sprężyna z napięciem 2 sprężyna bez napięcia własnym, własnego

107 Wymiarowanie sprężyn śrubowych naciągowych Sprężyna z napięciem własnym Charakterystyka sprężyny Obróbka cieplna

108 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych

109 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D D - średnia średnica zwojów

110 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów α

111 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów x, y - układ współrzędnych α

112 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D P D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów x, y - układ współrzędnych P - siła obciążenia sprężyny α

113 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D P P D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów x, y - układ współrzędnych P - siła obciążenia sprężyny α

114 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D P D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów α M P x, y - układ współrzędnych P - siła obciążenia sprężyny M - moment od siły P

115 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D P D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów α M P x, y - układ współrzędnych P - siła obciążenia sprężyny M - moment od siły P P x - siła ściskająca drut P y - siła ścinająca drut

116 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - oznaczenia D P D - średnia średnica zwojów α - kąt pochylenia zwojów α M P x, y - układ współrzędnych P - siła obciążenia sprężyny M - moment od siły P P x - siła ściskająca drut P y - siła ścinająca drut M x - moment skręcający drut M y - moment zginający drut

117 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - wartości D P M = P 0,5 D α M P

118 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - wartości M D P P M = P 0,5 D P x = P sinα P y = P cosα α

119 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - wartości D P M = P 0,5 D P x = P sinα α M P P y = P cosα M x = M cosα M y = M sinα

120 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - wartości D P M = P 0,5 D P x = P sinα α M P P y = P cosα M x = M cosα M y = M sinα Jeśli kąt α < 9 0, to: sinα < 0,156, cosα > 0,987

121 Siły i momenty w sprężynie śrubowej - wartości D P M = P 0,5 D P x = P sinα α M P P y = P cosα M x = M cosα M y = M sinα Jeśli kąt α < 9 0, to: sinα < 0,156, cosα > 0,987 oraz przyjmuje się: sinα 0 i cosα 1

122 Zakładane uproszczenia w obliczeniach 1. W obliczeniach początkowo pomija się: naprężenia zginające, wprowadzane do sprężyny podczas produkcji naprężenia wzdłuż osi drutu od siły P x naprężenia zginające drut pod wpływem składowej M od momentu wywołanego siłą obciążenia naprężenia ścinające drut od siły P y 2. Zakłada się brak momentów sił w zamocowaniu 3. Wprowadzając współczynnik Wahla uwzględnia się następnie zakrzywienie drutu i siłę ścinającą P y

123 Maksymalne naprężenia przy skręcaniu max M W P D 2 d 3 8 P D d 3 16 max - maksymalne naprężenia przy skręcaniu M - moment skręcający W - wskaźnik wytrzymałości P - siła działająca na sprężynę D - średnia średnica zwojów sprężyny d - średnica drutu sprężynowego

124 Maksymalne naprężenia przy skręcaniu max M W D P 2 3 d 16 8 P D 3 d max - maksymalne naprężenia przy skręcaniu M - moment skręcający W - wskaźnik wytrzymałości P - siła działająca na sprężynę D - średnia średnica zwojów sprężyny d - średnica drutu sprężynowego

125 Współczynnik poprawkowy Wahla Wpływ siły tnącej P y oraz zakrzywienia drutu 3 2 w 1 w w K w 0, w 1 4w K Oznaczenie: w = D/d; gdzie d - średnica drutu Alternatywny wzór:

126 Zależność współczynnika Wahla K od wskaźnika średnicowego sprężyny - w

127 Maksymalne naprężenia styczne - max Uwzględnienie zakrzywienia drutu i siły tnącej P y, powoduje zwiększenie maksymalnego naprężenia stycznego max (gdyż K > 1): 8 P D K 8 P w K max d 3 d 2 D średnia średnica zwojów sprężyny, d średnica drutu, P wartość siły obciążającej sprężynę, K współczynnik poprawkowy Wahla Wartość wskaźnika średnicowego w zaleca się przyjmować w przedziale 6 w 12, najczęściej stosuje się 7 w 10. Im większa wartość wskaźnika w, tym mniejsza współczynnika K.

128 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Średnicę drutu sprężyny d wyznaczamy z tego wzoru przyjmując maksymalne naprężenia styczne max równe wartości dopuszczalnej k s : d' 8 P w k s K Otrzymaną wartość należy zaokrąglić w górę do najbliższej wartości - d z szeregu znormalizowanych średnic drutu sprężynowego.

129 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Średnicę drutu sprężyny d można też wyznaczyć ze wzoru, w którym zakładamy wartość średniej średnicy sprężyny - D: d' 3 8 P D k s K W obliczeniu należy przyjąć średnią wartość współczynnika poprawkowego Wahla, K śr = 1,16.

130 Znormalizowane średnice drutów sprężynowych [mm] Wyciąg z PN-EN :2004 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,25 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,43 0,45 0,48 0,50 0,53 0,56 0,60 0,63 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,20 1,25 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,25 2,40 2,50 2,60 2,80

131 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Strzałka ugięcia f = f k sprężyny (całkowita): f 8 P G D d 4 3 z c 8 P w G d 3 z c z c liczba czynnych zwojów sprężyny, G współczynnik sprężystości poprzecznej (moduł Kirchoffa), który dla stali jest równy G = (88,4) 10 4 MPa,

132 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Liczba zwojów czynnych z c : G d 4 G d z f c 8 P D 3 8 P w 3 f f całkowita strzałka ugięcia sprężyny, G współczynnik sprężystości poprzecznej (moduł Kirchoffa), który dla stali jest równy G = (88,4) 10 4 MPa,

133 Obliczanie sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Sztywność sprężyny naciskowej lub naciągowej to iloraz obciążenia (P) i odkształcenia (f) jakie to obciążenie wywołuje. k P f 8 G z c d 4 D 3 Jest to siła niezbędna do wywołania jednostkowego odkształcenia elementu sprężystego. Odwrotnością sztywności jest podatność elementu sprężynującego.

134 Algorytmy obliczania sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Przypadek 1: Dane: siła obciążająca P k, długość końcowa L k

135 Algorytmy obliczania sprężyn śrubowych naciskowych i naciągowych Przypadek 2: Dane: siła początkowa - P p siła końcowa - P k strzałka robocza - f r

136 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych

137 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Całkowita liczba zwojów z sprężyny naciskowej: z z z c n Z c obliczona ze wzoru liczba zwojów czynnych, Z n liczba zwojów biernych (nieczynnych) Z n = 2 gdy średnica drutu d 0,5 mm Z n = 1,5 gdy średnica drutu d < 0,5 mm

138 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Liczba zwojów czynnych z c przy założonej długości końcowej sprężyny: z c L 0,9 k d z n z n liczba zwojów biernych, L k długość sprężyny na końcu skoku roboczego

139 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Wyznaczenie prześwitu międzyzwojowego ( a min ) - według normy PN-EN : a min 0,0015 D 2 d 0,1d z c z c liczba zwojów czynnych, D średnia średnica sprężyny, d średnica drutu

140 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Długość sprężyny zblokowanej L bl : L bl (z p) d p = 0,5 dla sprężyn o zwojach przyłożonych oraz szlifowanych, p= + 0,5 dla sprężyn o zwojach przyłożonych i nieszlifowanych, gdy z jest liczbą połówkową, p= + 1,0 dla sprężyn o zwojach przyłożonych i nieszlifowanych, gdy z jest liczbą całkowitą

141 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Długość sprężyny na końcu skoku roboczego L k : L k L bl a min L bl długość sprężyny zblokowanej a min suma prześwitu międzyzwojowego

142 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciskowych Długość sprężyny swobodnej L 0 : L L 0 k f L k długość sprężyny na końcu skoku roboczego f całkowita strzałka ugięcia sprężyny

143 Sprawdzenie możliwości wyboczenia sprężyny naciskowej Obliczenie wskaźnika smukłości sprężyny L 0 D Obliczenie wskaźnika sprężystości sprężyny f L k 0 100

144 Sprawdzenie możliwości wyboczenia sprężyny naciskowej 2 1 Punkt pracy powyżej krzywych () wymaga prowadzenia sprężyny Wskaźnik smukłości sprężyny 1. końce sprężyny równoległe i sztywno zamocowane 2. sprężyny o zmiennych warunkach podparcia

145 Zapobieganie wyboczeniu sprężyny naciskowej Prowadzenie sprężyny w otworze lub na trzpieniu (np. sprężyna długopisu, MSL, rysunek).

146 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciągowych

147 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciągowych P 0 napięcie własne sprężyny 1 P P 0 3 g

148 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciągowych Obliczenie obciążenia granicznego P g sprężyny, tj. takiego, po przekroczeniu którego zaczynają się odkształcenia trwałe: P g P K 1 P k obciążenie na końcu skoku roboczego, parametr o wartości równej = 0,05 0,10

149 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciągowych Obliczenie strzałki f 0 odpowiadającej napięciu własnemu P 0 sprężyny: f 0 f P r K P 0 P P f r strzałka robocza sprężyny P p, P k obciążenie sprężyny na początku (p) i na końcu (k) skoku roboczego

150 Obliczanie wybranych parametrów sprężyn śrubowych naciągowych

151 Sprężyny śrubowe skrętne (skrętowe)

152 Sprężyny śrubowe skrętne Przykłady ukształtowania zakończeń

153 Sprężyny śrubowe skrętne Przykłady zastosowań

154 Sprężyny śrubowe skrętne Przykłady zastosowań

155 Sprężyny śrubowe skrętne Przykład poprawnej konstrukcji

156 Sprężyny śrubowe skrętne Przykład wadliwej konstrukcji

157 Charakterystyka sprężyny skrętnej M moment obciążający sprężynę, kąt skręcenia sprężyny,

158 Wymiarowanie sprężyn śrubowych skrętnych Charakterystyka sprężyny Obróbka cieplna

159 Momenty w sprężynie śrubowej skrętnej (skrętowej) Sprężyny skrętne są obciążone momentem zewnętrznym, o wartości M, działającym w płaszczyźnie prostopadłej do osi sprężyny.

160 Momenty w sprężynie śrubowej skrętnej (skrętowej) M x M cos M y M sin Dla kąta 9 0 przyjmuje się: sinα 0 i cosα 1. Moment M x powoduje zginanie drutu sprężyny.

161 Maksymalne naprężenia zginające Maksymalne naprężenia zginające w przekroju poprzecznym drutu gmax są równe: gmax M W g M k d 3 32 M = M k maksymalny moment obciążający sprężynę, równy momentowi M k na końcu roboczego kąta skręcenie sprężyny W g - wskaźnik wytrzymałości na zginanie d - średnica drutu sprężynowego

162 Sprężyny śrubowe skrętne Średnicę drutu sprężyny wyznacza się z warunku: g max k g Po przekształceniu otrzymuje się zależność: d 3 32 M k k g K 1 M k moment skręcający sprężynę na końcu kąta roboczego, k g dopuszczalne naprężenia gnące materiału, g maksymalne naprężenia gnące w przekroju poprzecznym drutu

163 Sprężyny śrubowe skrętne 4w 1 K 1 4w 4 K 1 współczynnik uwzględniający zakrzywienie drutu oraz skręcanie drutu momentem M y w wskaźnik średnicowy sprężyny w = D/d W niektórych poradnikach pomija się wpływ współczynnika poprawkowego - K 1.

164 Sprężyny śrubowe skrętne Średnia średnica sprężyny: D w d gdzie: w wskaźnik średnicowy sprężyny D średnia średnica sprężyny, d średnica drutu sprężyny

165 Sprężyny śrubowe skrętne Całkowity kąt skręcenia sprężyny (odpowiednik strzałki ugięcia f sprężyny naciskowej lub naciągowej): a) wyrażony w mierze łukowej rad 64Mk D z 4 E d b) wyrażony w mierze kątowej (w stopniach) 3660Mk D z 4 E d z c liczba zwojów czynnych E współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) c c

166 Sprężyny śrubowe skrętne Sztywność k sprężyny skrętnej - to iloraz momentu M skręcającego sprężynę do odpowiadającego mu kąta skręcenia : k M E d 4 64 D z c [mnm/rad] z c liczba zwojów czynnych E współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) materiału

167 Sprężyny śrubowe skrętne Liczbę zwojów czynnych z c sprężyny można obliczyć ze wzoru: - gdy kąt skręcenia jest wyrażony w radianach z c 4 E d rad 64M D - gdy kąt skręcenia jest wyrażony w stopniach k z c 4 E d 3660M D k

168 Sprężyny śrubowe skrętne Średnia średnica D po skręceniu sprężyny o kąt, ulegnie zmniejszeniu do wartości: D' 1 D 360 z c - kąt skręcenia sprężyny przy jej obciążeniu momentem M k, wyrażony w stopniach kątowych D średnia średnica sprężyny swobodnej

169 Sprężyny śrubowe skrętne Wymagany luz między zwojami sprężyny - zapobiegający tarciu zwojów o siebie po obciążeniu sprężyny (prześwit między zwojami): d 0,2 360 z c - kąt skręcenia sprężyny przy jej obciążeniu momentem M k z c liczba zwojów czynnych

170 Sprężyny śrubowe skrętne Długość początkowa zwojów czynnych sprężyny nieobciążonej L o z wymaganym prześwitem między zwojami: d d L z 0 c wymagany luz między zwojami sprężyny z c liczba zwojów czynnych d średnica drutu

171 Sprężyny śrubowe skrętne Graniczny kąt odkształcenia sprężyny - max ze względu na jej wyboczenie: 123 z 4 max c przy współczynniku bezpieczeństwa = 2

172 Materiały na sprężyny w4

173 Materiały na sprężyny Drut sprężynowy ze stali konstrukcyjnej niestopowej (węglowej) według PN-EN :2004 Wytrzymałość na rozciąganie Gatunki drutu sprężynowego Obciążenie statyczne Obciążenie dynamiczne Dawne oznaczenie Niska SL - A Średnia SM DM B Wysoka SH DH C Drut jest ciągniony na zimno i wstępnie obrobiony cieplnie (patentowany).

174 Powłoki ochronne stosowane na druty ze stali niestopowych

175 Materiały na sprężyny Przykład oznaczenia Oznaczenie drutu ze stali niestopowej: wysokiej wytrzymałości na obciążenia statyczne (SH), o średnicy nominalnej d = 0,80 mm, pokrytego powłoką fosforanową (ph) Drut sprężynowy PN EN SH - 0,80 ph

176 Wykonanie sprężyn ze stali niestopowej Sprężyny nawija się na zimno. Zwoje bierne lub zaczepy dogina się póżniej najczęściej na gorąco. Po ukształtowaniu sprężynę należy: Odpuszczać w temperaturze C. Podwyższa to wartość dopuszczalnych naprężeń, a więc pozwala bardziej obciążyć sprężynę. Tak wykonanych sprężyn (po nawinięciu) nie wolno hartować, gdyż niszczy ono właściwości sprężyste drutu!!!.

177 Materiały na sprężyny Drut sprężynowy ze stali niestopowej i stopowej według PN EN :2004 Wytrzymałość na rozciąganie Gatunki drutu sprężynowego Obciążenie statyczne Średnia wytrzymałość zmęczeniowa Wysoka wytrzymałość zmęczeniowa Niska FDC TDC VDC Średnia FDCrV TDCrV VDCrV Wysoka FDSiCr TDSiCr VDSiCr Zakres średnic (mm) 0,50 17,00 0,50 10,00 Drut jest hartowany w oleju i odpuszczany

178 Materiały na sprężyny Przykład oznaczenia Drut sprężynowy ze stali niestopowej i stopowej według PN EN : hartowany w oleju i odpuszczany: wysokiej wytrzymałości na rozciąganie przy obciążeniu statycznym (FDSiCr), o średnicy nominalnej d = 1,00 mm Drut sprężynowy PN EN FDSiCr 1,00

179 Materiały na sprężyny Drut sprężynowy wykonany ze stali nierdzewnej według PN EN :2004 Znak Gatunki drutu sprężynowego Numer Normalna wytrzymałość na rozciąganie Wysoka wytrzymałość na rozciąganie X10CrNi NS HS X5CrNiMo X7CrNiAl

180 Powłoki ochronne stosowane na druty ze stali niestopowych Rodzaj powłoki Oznaczenie bez powłoki - polerowanie p powłoka niklowa Ni

181 Materiały na sprężyny Przykład oznaczenia Drut sprężynowy ze stali nierdzewnej gatunek normalny poziom wytrzymałości na rozciąganie, średnica drutu d = 1,00 mm, powłoka niklowa Drut sprężynowy PN EN NS 1,00 powłoka Ni

182 Właściwości wytrzymałościowe drutu 12R10 SANDVIK Średnice drutu Wytrzymałość na rozciąganie R m Umowna granica plastyczności R p0,2 R p0,2 /R m mm MPa MPa 0,15-0, ,92 % > 0,20-0, ,09 % > 0,30-0, ,09 % > 0,40-0, ,00 % > 0,50-0, ,00 % > 0,65-0, ,19 %

183 Właściwości wytrzymałościowe drutu 12R10 SANDVIK Średnice drutu Wytrzymałość na rozciąganie R m Umowna granica plastyczności R p0,2 R p0,2 /R m mm MPa MPa > 0,80-1, ,95 % > 1,00-1, ,90 % > 1,25-1, ,10 % > 1,50-1, ,05 % > 1,75-2, ,05 %

184 Właściwości wytrzymałościowe drutu 12R10 SANDVIK Średnice drutu Wytrzymałość na rozciąganie R m Umowna granica plastyczności R p0,2 R p0,2 /R m mm MPa MPa > 2,00-2, ,00 % > 2,50-3, ,94 % > 3,00-3, ,88 % > 3,50-4, ,88 % > 4,25-5, ,13 %

185 Właściwości wytrzymałościowe drutu 12R10 SANDVIK 2500 Wytrzymałość na rozciąganie R m [MPa] , Średnica drutu [mm]

186 Tolerancje średnicy drutu Średnica d Odchyłki Średnica d Odchyłki 0,10 0,16 0,004 0,80 1,00 0,015 0,18 0,25 0,005 1,05 1,70 0,020 0,28 0,63 0,008 1,80 2,60 0,025 0,65 0,75 0,010 2,80 4,00 0,030

187 Zespoły sprężyn w4

188 Zespoły sprężyn śrubowych połączonych równolegle

189 Charakterystyka zespołu sprężyn połączonych równolegle Przy równoległym połączeniu sprężyn strzałka ugięcia jednocześnie pracujących sprężyn jest taka sama, f 1 = f 2 = f natomiast całkowita siła wymuszająca odkształcenie jest sumą sił przyłożonych do każdej ze sprężyn składowych, czyli: P = P 1 + P 2

190 Charakterystyka zespołu sprężyn połączonych równolegle P P f f 1 1 k f k f 1 P 2 2 f 1 k 2 f 2 k k k 1 2

191 Charakterystyka zespołu sprężyn połączonych szeregowo Przy szeregowym połączeniu sprężyn strzałka ugięcia zespołu sprężyn jest sumą strzałek ugięcia sprężyn składowych, f 1 + f 2 = f natomiast siła wymuszająca odkształcenie jest taka sama dla każdej sprężyny, czyli: P = P 1 = P 2

192 Charakterystyka zespołu sprężyn połączonych szeregowo f f f 1 2 P P P 1 2

193 Charakterystyka zespołu sprężyn połączonych szeregowo k i P f i f P k f 1,2 k P 1,2 1 k 1 k 1 1 k 2

194 Nietypowe sprężyny śrubowe

195 Nietypowe sprężyny

196 Sprężyny płytkowe

197 Sprężyny płytkowe Są to sprężyny obciążone siłami prostopadłymi do powierzchni tych sprężyn. Siły te wywołują momenty zginające o wartości zmiennej wzdłuż długości sprężyny.

198 Sprężyny płytkowe Zastosowania Układy sprężyn stykowych

199 Sprężyny płytkowe Zastosowania Sprężyny pomiarowe (np. dynamometry tensometryczne)

200 Sprężyny płytkowe Zastosowania Sprężyny dociskowe

201 Sprężyny płytkowe Zastosowania Zawieszki sprężyste Sprężyny krzyżowe Łożyskowania sprężyste

202 Sprężyny płytkowe Zastosowania Prowadnice sprężyste, np. do dokładnego prowadzenia liniowego

203 Sprężyny płytkowe: pomiarowe i dociskowe

204 Sprężyny płytkowe: pomiarowe i dociskowe a) belka jednostronnie podparta Maksymalny moment gnący M gmax i strzałka ugięcia f M gmax P M gmax P l M gmax =Pl l f b g f 3 P l 3EJ E moduł sprężystości wzdłużnej, J geometryczny moment bezwładności przekroju poprzecznego względem bg J osi sprężyny 12 3

205 Sprężyny płytkowe: pomiarowe i dociskowe b) belka obustronnie podparta statycznie wyznaczalna f P M gmax = (Pl)/4 M gmax f 3 P l 48EJ P l 4 Jest to sprężyna znacznie sztywniejsza niż sprężyna podparta jednostronnie. Inne schematy do obliczania sprężyn płaskich można znaleźć w poradnikach.

206 Sprężyny płytkowe Optymalizacja wymiarów Naprężenia maksymalne występujące w sprężynie określamy ze wzoru: gmax M gmax W x 6M b gmax W x wskaźnik wytrzymałości na zginanie przekroju poprzecznego. g 2 f P Maksymalne naprężenia gmax występują tylko w jednym przekroju sprężyny. M gmax = (Pl)/4 Nie jest to racjonalne.

207 Sprężyny płytkowe Sprężynie można nadać taki kształt, aby w każdym jej przekroju występowały jednakowe i bliskie maksymalnym naprężenia. Oznacza to zmniejszenie przekroju poprzecznego wszędzie tam, gdzie moment zginający jest mniejszy niż maksymalny. Wymiernym efektem jest wtedy ograniczenie masy sprężyny i oszczędność materiału. Wskaźnik wytrzymałości W x = bg 2 /6 jest proporcjonalny do szerokości b sprężyny oraz w drugiej potędze od jej grubości g. Zastosowanie: resor piórowy pojazdów, sprężyny stykowe trapezowe.

208 Sprężyny płytkowe Materiały na sprężyny płytkowe: stalowej: stal sprężynowa 50S2, 55S2, mosiężnej: mosiądz CW508L (M63) z mosiądzu wysokoniklowego: CW410J (MZN18) oraz MZN12, MZN15, z brązu: CW116C (BK31), CW101C (BB2)

209 Sprężyny płytkowe - stykowe

210 Sprężyny stykowe Sprężyny stykowe stosuje się do: zamykania (zwierania), otwierania (rozwierania), przełączania obwodów elektrycznych małej mocy. a) zamykający b) otwierający c) przełączający

211 Sprężyny stykowe Budowa układu sprężyn stykowych: minimum dwie sprężyny ze styczkami lub odpowiednio ukształtowanymi zakończeniami, sprężyny odizolowane od siebie, możliwość wytworzenia nacisku styczek,

212 Sprężyny stykowe Materiały Wymagane właściwości materiałów na sprężyny stykowe: duża przewodność elektryczna, dobra sprężystość i małe opóźnienie sprężyste, małe trwałe odkształcenie z upływem czasu, duża odporność na korozję atmosferyczną, duża stabilność własności mechanicznych i elektrycznych. Materiały na sprężyny stykowe i złącza nożowe mosiądz wysokoniklowy CW410J (MZN18), brąz krzemowy CW116C (BK31), brąz berylowy CW101C (BB2) mosiądz sprężysty CW508L (M63) Materiały na styczki: srebro lub metale kolorowe posrebrzane

213 Sprężyny stykowe Zapobieganie drganiom Podstawowym sposobem jest 68 krotne zróżnicowanie sztywności współpracujących sprężyn. Osiąga się to przez: zróżnicowanie grubości sprężyn (skutkiem jest różna częstotliwość drgań własnych każdej sprężyny), g 1 s g 2

214 Sprężyny stykowe Zapobieganie drganiom podparcie sprężyny będącej w spoczynku, czyli zmiana jej sztywności w pewnym zakresie ugięcia (efekt podparcia jest więc podobny jak zróżnicowania grubości), g 1 s g 2 P w

215 Sprężyny stykowe Zmniejszenie skutków drgań rozcięcie sprężyn na swobodnym końcu i zamocowanie tam dwóch styczek, mniejsza szerokość sprężyn w pobliżu ruchomego końca: zmniejsza się ich masowy moment bezwładności, co ogranicza energię drgających sprężyn; stosowanie dodatkowych elementów rozpraszających energię zatapianych w sprężynach (z materiałów o dużej histerezie sprężystej, np. z tworzywa sztucznego)

216 Charakterystyki sprężyn stykowych Układ zamykający ze sprężynami swobodnymi F s siła docisku styczek

217 Charakterystyki sprężyn stykowych Układ zamykający z jedną sprężyną podpartą F s siła docisku styczek

218 Sprężyny spiralne

219 Sprężyny spiralne

220 Sprężyny spiralne a) Sztywno utwierdzony koniec zewnętrzny b) Przegubowo utwierdzony koniec zewnętrzny

221 Sprężyny spiralne Założenia upraszczające Przy obliczeniach konstrukcyjnych sprężyn spiralnych przyjmuje się następujące założenia: w czasie pracy zwoje nie dotykają do siebie, podczas pracy sprężyna zachowuje kształt regularnej spirali a jej środek ciężkości nie zmienia położenia, sprężyna ma mały skok a więc można uznać, że zwoje mają kształt koła, sprężyna w stanie swobodnym nie ma żadnych naprężeń wynikających z jej zwijania

222 Sprężyny spiralne Sztywno utwierdzony koniec zewnętrzny Na sprężynę działa moment +M przyłożony do końca wewnętrznego. Wywołuje on reakcję w miejscu utwierdzenia końca zewnętrznego M. Pojawiają się także siły P i R oraz P i R. Gdy sprężyna ma dużą liczbę zwojów o małym skoku, siły reakcji P i R są pomijalnie małe.

223 Sprężyny spiralne Sztywno utwierdzony koniec zewnętrzny W każdym przekroju poprzecznym naprężenia gnące g są jednakowe, a ich wartość wynosi: g M W g 6 M 2 b g Załóżmy, że naprężenia we wszystkich przekrojach mają maksymalną dopuszczalną wartość k g. Wtedy energia akumulowana w sprężynie jest maksymalna. Sztywne utwierdzenie końca zewnętrznego sprężyny zapewnia akumulowanie największej energii.

224 Sprężyny spiralne Sztywno utwierdzony koniec zewnętrzny Kąt skręcenia sprężyny, czyli kąt obrotu wałka do którego zamocowano wewnętrzny koniec sprężyny, wynosi: M E L J 12 M L 3 E b g L długość sprężyny rozwiniętej, w mm E moduł sprężystości wzdłużnej materiału, w MPa, J geometryczny moment bezwładności pola przekroju poprzecznego względem osi równoległej do osi wałka, w mm 4

225 Sprężyny spiralne Przegubowo utwierdzony koniec zewnętrzny Na koniec zewnętrzny sprężyny działa tylko siła wzdłużna -P, gdyż siła poprzeczna jest bardzo mała, a moment w zamocowaniu przegubowym jest równy zeru. W przekroju B-B działa moment M B : M B P r a 2M gdyż r a. W przekroju C-C moment M C jest równy: M C P r b 0 gdyż r b Jeśli naprężenia w przekroju B-B osiągną dopuszczalną wartość k g, to w każdym innym przekroju będą już tylko mniejsze.

226 Sprężyny spiralne Przegubowo utwierdzony koniec zewnętrzny Energia akumulowana w sprężynie spiralnej z końcem zewnętrznym zamocowanym przegubowo jest zatem mniejsza niż w takiej samej sprężynie ze sztywnym utwierdzeniem końca, przy założeniu, że w obu sprężynach wywołano takie same maksymalne naprężenia. Sprężyna napędowa swobodna Przy projektowaniu sprężyn spiralnych należy zatem zabiegać o to, aby zamocowanie końca zewnętrznego było możliwie najbardziej zbliżone do utwierdzenia sztywnego.

227 Zastosowanie sprężyn spiralnych

228 Sprężyny włosowe

229 Sprężyny spiralne włosowe Właściwości i materiały Podstawowe cechy sprężyn włosowych to: zwoje sprężyny nie stykają się ze sobą, oba końce zamocowane są sztywno, iloraz b/g (szerokość/grubość) jest równy: - około 5 dla stali i nivaroxu, dla brązu, Materiały na sprężyny włosowe: stal sprężynowa, brąz berylowy, fosforowy, a także elinvar (12%Cr, 36%Ni, 52%Fe), nivarox, isoval

230 Sprężyny spiralne włosowe Zastosowanie sprężyny miernicze zwrotne, w których moment jest proporcjonalny do kąta wychylenia organu ruchomego przyrządu M k E J L sprężyny zwrotne, kasujące luz martwy w przyrządach pomiarowych, np. w czujniku zegarowym, ciśnieniomierzu samochodowym, np. precyzyjne, bardzo dokładne momentomierze o zakresie pomiarowym do 100 mnm

231 Sprężyny spiralne włosowe Zastosowanie sprężyny regulatorów balansowych, sprężyny doprowadzające prąd do ruchomych części mechanizmu

232 Sprężyny spiralne włosowe Zamocowania końca wewnętrznego

233 Sprężyny spiralne włosowe Zamocowania końca wewnętrznego Sztywna sprężyna Wiotka sprężyna źle dobrze dobrze

234 Sprężyny spiralne włosowe Zamocowania końca zewnętrznego

235 Sprężyny napędowe

236 Sprężyny spiralne napędowe

237 Sprężyny spiralne napędowe Silniki sprężynowe znajdują zastosowanie do napędu mechanizmów programujących, rejestratorów, wyzwalaczy, zwijaczy kabli, itp., wszędzie tam gdzie nie jest możliwa realizacja napędu elektrycznego lub jako napęd awaryjny. Silniki sprężynowe występują w trzech postaciach konstrukcyjnych: sprężyny swobodne, sprężyny w bębnie, sprężyny przewijane (negatory) - o stałej sile, - o stałym momencie

238 Sprężyny napędowe swobodne

239 Sprężyny spiralne napędowe swobodne 1 wałek napinający, 2 koło napędzane 3 sprężyna spiralna 4 koło zapadkowe z zapadką

240 Sprężyny spiralne napędowe swobodne prosta konstrukcja sprężyny i jej zaczepów, niski koszt wykonania, zanikanie momentu przy napinaniu (wałek służy do napinania i do oddawania momentu), sprężyna nieosłonięta, więc jest słabo chroniona przed korozją i zanieczyszczeniami, smarowanie zwojów mało skuteczne, pęknięcie sprężyny może spowodować uszkodzenie mechanizmu wskutek uderzenia rozwijających się zwojów.

241 Sprężyny napędowe w bębnie

242 Sprężyny spiralne napędowe w bębnie 1 wałek napinający, 2 koło napędzane 3 sprężyna spiralna 4 koło zapadkowe z zapadką 5 bęben

243 Sprężyny spiralne napędowe w bębnie nieco droższe od sprężyn swobodnych ale pozbawione ich wad, sztywno zamocowany koniec wewnętrzny i zewnętrzny, zajmują mniej miejsca, napinane są wałkiem zaś moment oddawany jest przez bęben (końcem zewnętrznym), w sprężynie o kształcie litery S zwoje zewnętrzne rozwijają się szybciej (wcześniej), co oznacza mniejsze straty na tarcie między zwojami.

244 Sprężyny spiralne napędowe w bębnie Zamocowanie końca zewnętrznego a) przegubowe = 0,7 b) oczkowe = 0,75 c) kształt V = 0,82 d) sztywne = 0,92 Im większa wartość współczynnika, tym zamocowanie sprężyny bardziej zbliżone do utwierdzenia sztywnego.

245 Charakterystyka sprężyny spiralnej swobodnej kąt 0 - o zwoje nie dotykają do siebie, kąt > o sprężyna nie zwija się koncentrycznie, zwoje najpierw dotykają a potem coraz mocniej dociskają do siebie, przy napinaniu potrzebny jest moment większy niż teoretyczny (wynikający z liniowej charakterystyki) do pokonania tarcia zwojów o siebie, duże straty przy rozkręcaniu sprężyny

246 Charakterystyka sprężyny spiralnej w bębnie w kąt skręcenia sprężyny, której zwoje ułożone są w bębnie, dociskają do jego ścianek i do siebie, przyłożenie momentu M nieco większego od teoretycznego dla kąta w, przy dalszym niewielkim odkształceniu sprężyny (czerwony punkt), odpowiada sytuacji kiedy zwoje przestają do siebie dociskać, przyłożenie momentu większego od M, powoduje odrywanie zwojów od siebie i od bębna i przewijanie sprężyny, efektywny zakres pracy sprężyny p < k

247 Sprężyny napędowe przewijane Negatory

248 Negatory o stałej sile

249 Negatory o stałej sile Wartość siły jest w przybliżeniu stała, gdyż zależy od odkształcenia sprężyny na łuku X, natomiast nie zależy od długości odwinięcia L.

250 Negatory o stałej sile Zastosowania Dociskacz szczotek w silniku komutatorowym Dociskacz kart Mechanizm ruchu kątowego Tablica przesuwna

251 Negatory o stałej sile Moment siły napinającej P względem pkt. B jest równy: M P B R 2 Z równania linii ugięcia belek wynika, że w pkt. B i A mamy : MB EJ 1 R n 1 R M R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2 - promień bębna na którym nawinięta jest sprężyna, R 2 1,2 R n (lub średni promień nawinięcia) B EJ R n

252 Negatory o stałej sile Z porównania zależności: P EJ R R n 2 W przybliżeniu R n R 2, czyli ostatecznie: P EJ 2 R n R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2 - promień bębna na którym nawinięta jest taśma, R 2 1,2 R n

253 Silnik typu A Negatory o stałym momencie Silnik typu B w5

254 Negatory o stałym momencie typu A Wartości momentu w odpowiednich punktach wynoszą: - w punkcie B i w każdym na bębnie R 2 : M B 1 EJ Rn - w każdym punkcie między B i A 1 R 2 M BA EJ 1 R n 1 R EJ R n R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2 - promień bębna czynnego, na który nawijana jest taśma, R 2 1,2 R n (lub średni promień nawinięcia)

255 Negatory o stałym momencie typu A - w punkcie A i w każdym na bębnie R 3 : M A 1 EJ Rn - moment użytkowy, który jest różnicą momentów na bębnach: M d M A M B 1 R M 3 d 1 EJ R n 1 R 3 1 R n 1 R 2 R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2,3 promienie bębnów na które nawinięta jest taśma (2 czynny, 3 - bierny)

256 Negatory o stałym momencie typu A Po uproszczeniu otrzymujemy zależność: M d EJ 1 R 2 1 R 3 R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2,3 promienie bębnów na które nawinięta jest taśma (2 czynny, 3 - bierny), AB prostoliniowy odcinek sprężyny

257 Wartość momentu M B w punkcie B i w każdym na bębnie R 2 jest równa: 2 n B R 1 R 1 EJ M n n BA R EJ R 1 R 1 EJ M Wartość momentu M BA w każdym punkcie między B i A jest równa: Negatory o stałym momencie typu B Wartość momentu M A w punkcie A i w każdym na bębnie R 3 : 3 n 3 n A R 1 R 1 EJ R 1 R 1 EJ M

258 Negatory o stałym momencie typu B Moment użytkowy M d, jako różnica momentów na obu bębnach: M d EJ 1 R 2 1 R 3 R n - promień krzywizny sprężyny w stanie swobodnym, R 2,3 promienie bębnów na które nawinięta jest taśma (2 czynny, 3 - bierny) J moment bezwładności przekroju poprzecznego taśmy, J = bh 3 /12 Wartość momentu użytkowego M d w negatorze typu B jest zatem większa niż w negatorze typu A.

259 Negatory o stałym momencie

260 Negatory - porównania

261 Negatory - porównania Sprężyna napędowa w bębnie Negator o stałym momencie

262 Termobimetale w5

263 Termobimetale Termobimetale to elementy sprężyste złożone z dwóch warstw metali, o różnych wartościach współczynników liniowej rozszerzalności cieplnej. Obie warstwy połączone są trwale na powierzchni styku przez: zgrzewanie, lutowanie lub walcowanie. Warstwa której współczynnik rozszerzalności cieplnej jest większy zwana jest warstwą czynną. Materiały: warstwa czynna 1: stal nierdzewna warstwa bierna 2: inwar - (12) warstwa czynna, 2 warstwa bierna

264 Termobimetale 1 warstwa czynna 2 warstwa bierna a) temperatura otoczenia, b) oziębiony, c) podgrzany Termobimetal podczas ogrzewania wygina się wypukłością po stronie warstwy czynnej.

265 Odkształcenia termobimetalu Kąt odkształcenia - termobimetalu wywołany przyrostem temperatury t opisuje zależność: K czułość termobimetalu, L długość sprężyny kąt odkształcenia : K L t

266 Odkształcenia termobimetalu Strzałkę ugięcia - f termobimetalu wywołaną przyrostem temperatury t opisuje zależność: K czułość termobimetalu, L długość sprężyny strzałka ugięcia f : f K L 2 2 t

267 Termobimetal normalny Największe odkształcenie termobimetalu przy ogrzaniu o 1 stopień wystąpi wtedy, gdy: g1 g 2 E E 2 1 Bimetal spełniający ten warunek nazywany jest termobimetalem normalnym.

268 Czułość termobimetalu normalnego Czułość K termobimetalu rozumiana jest jako odkształcenie (odpowiedź) przypadające na jednostkowy przyrost temperatury. Czułość termobimetalu jest zatem największa gdy termobimetal jest normalny i jest wtedy równa: K g 1 g g g 1, g 2 grubość warstwy czynnej i biernej bimetalu, 1, 2 - współczynniki liniowej rozszerzalności cieplnej warstwy czynnej (1) i biernej (2)

269 Zastosowanie termobimetali termobimetal jako sprężyna swobodna układu stykowego a) ze stałą odległością styków, b) z regulowaną odległością styków

270 Termobimetal swobodny Zetknięcie styczek nastąpi po ogrzaniu termobimetalu o t 1 równe: Dalszy wzrost temperatury będzie powodował zwiększanie docisku styczki termobimetalu do styczki spoczynkowej. Wkręcanie lub wykręcanie wkrętu, na którym osadzona jest styczka spoczynkowa, zmienia szczelinę a, co bezpośrednio wpływa na temperaturę przy której nastąpi zwieranie i rozwieranie styków. Przyrost temperatury jest wprost proporcjonalny do szczeliny a. Stosując wkręt z gwintem drobnozwojnym można dokładnie nastawiać temperaturę zwarcia styków. Jest to wykorzystywane w termoregulatorach. t 1 2a K L 2

271 Bezwładność cieplna termobimetalu Każdy element termobimetalowy ma bezwładność cieplną. Tylko przy nieskończenie powolnym ogrzewaniu lub schładzaniu jego temperatura byłaby równa temperaturze otocznia. Przy wzroście temperatury z określoną prędkością średnia temperatura termobimetalu będzie niższa niż temperatura otoczenia. Różnica zależy od: szybkości zmian temperatury, sposobu doprowadzania ciepła i od tzw. pojemności cieplnej termobimetalu. Bezwładność cieplna powoduje zadziałanie termobimetalu w temperaturze wyższej niż obliczona gdy termobimetal jest ogrzewany, albo przy niższej jeśli jest schładzany. Przy dobrej konstrukcji układu stykowego błąd wywołany tym zjawiskiem może być ok. 0,05 0 C (mała pojemność i dobre przewodnictwo cieplne).

272 Maksymalna temperatura pracy termobimetali Maksymalne naprężenia powstające w termobimetalu ogrzewanym, podpartym w taki sposób, że niemożliwe jest jego swobodne odkształcenie, np. szczelina a = 0, są 1,75 razy większe niż w identycznym termobimetalu swobodnym podgrzanym o taką samą różnicę temperatur. Maksymalna temperatura pracy termobimetalu ograniczona jest przez wartość dopuszczalnych naprężeń na powierzchni styku obu warstw. Termobimetale mogą być użytkowane w temperaturach, w których nie występują odkształcenia trwałe.

273 Termobimetal podparty termobimetal podparty w punkcie c z siłą P c i odkształcony od tej siły o strzałkę ugięcia f c(c) oraz f b(c) Całkowite ugięcie f b w punkcie b, ogrzanego o t termobimetalu, jest sumą dwóch składowych: ugięcia f b(c) - od odkształcenia w punkcie c wywołanego siłą P c oraz ugięcia f b(t) od przyrostu t temperatury. Zmiana siły P c w stanie chłodnym wywoła przesunięcie początkowego punktu ugięcia sprężyny pod wpływem temperatury, natomiast przy tym samym t nie zmienia się strzałka ugięcia temperaturowego. Aby zmienić charakterystykę temperaturową termobimetalu należy przesunąć położenie punktu c względem b.

274 Zastosowanie termobimetalu podpartego W przyrządzie pomiarowym ze wzrostem temperatury maleje kąt obrotu ramienia 2, co zmniejsza przesuw cięgna 5 połączonego z układem wskazań przyrządu. W celu uniezależnienia wskazań przyrządu od temperatury zastosowano układ kompensacji. Wzrost temperatury zwiększa odległość r (termobimetal 6 jest zwrócony stroną czynną do wałka 1). Przez wkręcanie wkrętu 4 można zmienić przełożenie (tj. odległość początkową r) bez zmiany charakterystyki temperaturowej. Charakterystykę temperaturową można zmienić tyko przez zmianę położenia punktu podparcia termobimetalu. W tym celu wykonano kilka otworów gwintowanych 3.

275 Termobimetal normalny ogrzany i zginany b) termobimetal nieogrzany, poddany zginaniu g1,2max k g1,2 oś obojętna w temobimetalu normalnym a) termobimetal ogrzany, nieobciążony 1,2 = 0,5 1,2 1,2 k r,c1,2 t max 1,2 c) termobimetal ogrzany i poddany zginaniu Maksymalne naprężenia mogą wystąpić zarówno w warstwie wierzchniej jak i w warstwie styku płytek.

276 Zastosowanie termobimetali do stabilizacji temperatury (np. termoregulator w żelazku) do zabezpieczenia urządzeń elektrycznych przed nadmiernym poborem prądu (np. bezpieczniki zwłoczne, przekaźniki przeciążeniowe) 1 grzejnik, 2 termobimetal, 3 śruba regulacyjna, 4 - korpus 1, 2, 3 termobimetale z grzejnikami 4 przesuwka, 5 wyłącznik migowy

277 Zastosowanie termobimetali do bezpośredniego pomiaru temperatury, do zabezpieczania urządzeń grzejnych (np. w termostatach podgrzewaczy wody, pieców co), w przerywaczach świateł sygnalizacyjnych (kierunkowskazy), do przetwarzania i przekazywania sygnałów w układach pomiarowych (np. przy pomiarach temperatury i ciśnienia w samochodowych silnikach spalinowych). do kompensacji wpływu temperatury na błędy przyrządów pomiarowych (przez taką zmianę wymiarów elementów, która skompensuje temperaturową zmianę czułości elementu pomiarowego)

278 Amortyzatory

279 Amortyzatory Stosowane są w celu chronienia urządzeń przed szkodliwym działaniem drgań i udarów, które mogą wystąpić nie tylko podczas transportu ale także w czasie normalnej pracy. Amortyzatory mają więc izolować urządzenie od źródła drgań, zmniejszając amplitudę drgań urządzenia w stosunku do amplitudy drgań wymuszających. Amortyzatory z reguły wykonywane są z gumy, rzadziej z filcu. Stosuje się też rozwiązania, w których wkładki gumowe występują obok sprężyn metalowych.

280 Podstawowe właściwości gumy zdolność do dużych odkształceń sprężystych, czyli duża podatność. Wynika to z małej wartości modułów sprężystości (E 2,5 12 MPa zaś G 12 MPa). Są one około razy mniejsze niż stali. Guma jest ponadto nieściśliwa (0,5), dzięki czemu jest zdolna do dużych odkształceń. zdolność do gromadzenia dużej energii sprężystej, Sprężyna stalowa - naciskowa lub naciągowa w której występują naprężenia styczne, może zakumulować w jednostce masy (1kg) przeciętnie około 250 Nm energii. Element gumowy akumuluje od 100 do 1000 Nm zależnie od rodzaju występujących naprężeń.

281 Podstawowe właściwości gumy duża pętla histerezy (duże tarcie wewnętrzne) Oznacza to zdolność do rozpraszania energii drgań, czyli do tłumienia tych drgań. Duża praca tarcia powoduje grzanie się gumy a to wymusza ograniczenie liczby cykli odkształcenia w jednostce czasu.

282 Podstawowe właściwości gumy nieliniowość właściwości, tzn. szybki wzrost sztywności przy wzroście odkształcenia Twardość gumy 95 Sh A Twardość gumy 80 Sh A

283 Podstawowe właściwości gumy Wartość modułu sprężystości postaciowej G zależy od twardości gumy. Natomiast wartość współczynnika sprężystości wzdłużnej E zależy od: - twardości gumy, - kształtu elementu, - wartości obciążenia Iloraz E/G w przybliżeniu jest równy: - dla gumy E/G = 6,5; - dla stali E/G = 2,5

284 Podstawowe właściwości gumy łatwość łączenia z metalami przez wulkanizowanie lub klejenie, duża odporność na działanie kwasów i zasad, mała odporność na działanie olejów i benzyny, mała wytrzymałość mechaniczna, setki razy < niż stali; Dopuszczalne naprężenia elementów gumowych przy obciążeniach statycznych wynoszą: k r =k t = 12 MPa, k c = 35 MPa, k s = 23 Mpa wrażliwość na temperaturę - zakres pracy 30 0 C C, mały ciężar właściwy = (12) 10-2 N/m 3 ; ciężar właściwy stali jest równy s = 7, N/m 3 niekorzystna zmiana właściwości z upływem czasu, guma traci właściwości sprężyste i staje się krucha.

285 Zasada działania amortyzatorów Amortyzacja jest skuteczna wtedy, gdy: - amplituda drgań własnych A o amortyzowanego urządzenia jest dużo mniejsza niż amplituda drgań wymuszających A. A o A A o - amplituda drgań amortyzowanego urządzenia, A - amplituda drgań wymuszających Inna forma zapisu tego warunku: 1 A o A

286 Zasada działania amortyzatorów - częstotliwość drgań własnych f o amortyzowanego urządzenia jest znacznie mniejsza niż częstotliwość wymuszenia f. f o f f o częstotliwość drgań własnych amortyzowanego urządzenia, f częstotliwość drgań wymuszających Zaleca się spełnienie poniższego warunku: 2,5 5 f f o

287 Amortyzatory Przykłady obciążania Ściskanie Ścinanie Elementy gumowe wykonane z płyty Skręcanie Ścinanie Elementy gumowe w kształcie tulei

288 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Nóżki gumowe do amortyzowania sprzętu przenośnego

289 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne

290 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Zawieszenie silnika pralki 1 łapa silnika, 2 podstawa, 3, 3 podkładki gumowe, 4, 4 - miska Odizolowanie układu drgającego 1 część drgająca, 2 łącznik śrubowy, 3, 4 podkładki gumowe, 5 - obudowa

291 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Odizolowanie układu drgającego za pomocą membrany 1 część drgająca, 2 łącznik śrubowy, 3, 5 zawulkanizowane w membranie metalowe wkładki, 4 gumowa membrana, 6 obudowa, 7 łącznik śrubowy

292 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Amortyzator ze sprężyną i gumowym tłumikiem (f > 10 Hz) 1 obudowa amortyzatora, 2 tuleja do mocowania, 3 sprężyna stożkowa, 4 tłumik gumowy

293 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Amortyzator sworzniowy Do tłumienia drgań o częstotliwości wymuszenia f > 15 Hz 1 metalowe mocowanie amortyzatora 2 sworzeń gumowy

294 Amortyzatory Rozwiązania konstrukcyjne Służy do tłumienia drgań o częstotliwości wymuszenia f > 50 Hz 1 amortyzator, 2 fragment urządzenia, 3 - podstawa

295 Amortyzatory gumowe Przykłady oferty handlowej Elementy stalowe: stal 5.6 lub na życzenie nierdzewna Elastomer: kauczuk naturalny 55 Sh A, Temperatura pracy C do C