Numer dopuszczenia: 07/2007 ISBN Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa 1986

Transkrypt

1

2 Autor Andrzej Rutkowski Konsultant wyd. XII zm.: dr inż. Józef Zawora Okładkę projektował: Roman Kirilenko Redaktor merytoryczny: Dorota Woźnicka Redaktor techniczny: Ewa Kowalska-Żołądek Książka zawiera zasady obliczania i konstruowania połączeń (nitowych, spajanych, wciskowych, kształtowych, gwintowych, rurowych), osi i wałów, łożysk ślizgowych i tocznych, sprzęgieł, hamulców, przekładni (ciernych, cięgnowych, zębatych) oraz ogólne wiadomości o mechanizmach dźwigniowych i krzywkowych. Wydawnictwa polecają książkę uczniom klas II, III i IV techników o wszystkich specjalnościach mechanicznych i pokrewnych. Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do nauczania zawodu technik mechanik na poziomie technikum i szkoły policealnej, na podstawie opinii rzeczoznawców: mgr. inż. Marka Kasprzyckiego, mgr. Michała Ratajczaka, dr. inż. Tadeusza Sarnowskiego i mgr. Zdzisława Sawaniewicza. Numer dopuszczenia: 07/2007 ISBN Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa 1986 Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa, Al. Jerozolimskie 136 Adres do korespondencji: Warszawa, P. pocztowa nr 9 Wydanie czternaste (2009). Ark. druk. 27,25 Skład i łamanie: Krzysztof Galicki, Elżbieta Walczak/DTP WSiP S.A.

3 Spis treêci Przedmowa Zasady konstruowania części maszyn Zasady ogólne Klasyfikacja i cechy użytkowe części maszyn Normalizacja części maszyn Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn Wytrzymałość zmęczeniowo-kształtowa Materiały konstrukcyjne Kształtowanie części maszyn Tolerancje i pasowania w budowie maszyn Połączenia nitowe Charakterystyka i rodzaje połączeń nitowych Rodzaje i wymiary nitów Układ sił i naprężeń w złączach nitowych Połączenia nitowe mocne Kratownice i blachownice Nity specjalne Połączenia spajane Charakterystyka i zastosowanie połączeń spajanych Połączenia spawane Połączenia zgrzewane Połączenia lutowane Połączenia klejone Połączenia wciskowe Rodzaje i charakterystyka połączeń wciskowych Obciążenia połączeń wciskowych Obliczanie wytrzymałości elementów połączeń wtłaczanych Obliczanie połączeń skurczowych Połączenia kształtowe Charakterystyka i klasyfikacja połączeń kształtowych Połączenia wpustowe Połączenia wielowypustowe Połączenia kołkowe i sworzniowe Połączenia klinowe Połączenia gwintowe Ogólna charakterystyka i klasyfikacja połączeń gwintowych Budowa i podstawowe parametry gwintu

4 6.3. Rodzaje gwintów i ich zastosowanie Łączniki gwintowe Układ sił i praca w połączeniu gwintowym Obliczanie wytrzymałości połączeń gwintowych Projektowanie śrub, połączeń gwintowych i mechanizmów śrubowych Elementy podatne Klasyfikacja i charakterystyka elementów podatnych Sprężyny wiadomości ogólne Sztywność i praca sprężyny Sprężyny śrubowe Sprężyny płaskie (prętowe) Inne rodzaje sprężyn Elementy podatne z gumy i elastomerów Układy pneumatyczne i hydrauliczne Mieszki sprężyste Połączenia rurowe i zawory Rurociągi Przewody rurowe Połączenia rurowe Zawory Osie i wały Wiadomości ogólne Obciążenia osi i wałów Zasady obliczania wytrzymałości osi i wałów dwupodporowych Wytrzymałość zmęczeniowa osi i wałów Sztywność osi i wałów Zasady konstruowania osi i wałów Wały wykorbione i wały giętkie Łożyska Wiadomości ogólne o łożyskach Łożyska ślizgowe Łożyska toczne Tribologia Przekładnie zębate Ogólna charakterystyka napędów i przekładni Rodzaje kół i przekładni zębatych Podstawowe określenia i obliczanie wymiarów kół walcowych o zębach prostych Współpraca uzębień i rodzaje zarysów zębów Obróbka uzębień kół zębatych walcowych Przesunięcie zarysu w kołach i przekładniach zębatych Wytrzymałość uzębień kół walcowych o zębach prostych Przekładnie walcowe o zębach skośnych i daszkowych Inne przekładnie z kołami walcowymi Konstrukcja kół zębatych walcowych

5 Przekładnie kątowe z kołami stożkowymi Przekładnie zębate śrubowe (o osiach wichrowatych) Przekładnie ślimakowe Przekładnie obiegowe Przekładnie złożone Przekładnie specjalne Przekładnie cierne Wiadomości ogólne Przekładnie cierne o stałym przełożeniu Zasady obliczania przekładni ciernych Przekładnie cierne odciążone Przekładnie cierne o zmiennym przełożeniu Przekładnie cięgnowe Wiadomości ogólne Przekładnie pasowe z pasem płaskim Obliczanie przekładni z pasem płaskim Przekładnie pasowe z pasami klinowymi, okrągłymi i zębatymi Obliczanie przekładni z pasami klinowymi Przekładnie łańcuchowe Sprzęgła Rodzaje i charakterystyka sprzęgieł Normalizacja i zasady doboru sprzęgieł Sprzęgła nierozłączne Sprzęgła sterowane Sprzęgła samoczynne Hamulce Klasyfikacja i charakterystyka hamulców Hamulce klockowe Hamulce cięgnowe Mechanizmy Rodzaje mechanizmów i ich klasyfikacja Mechanizmy dźwigniowe Mechanizmy do otrzymywania ruchu przerywanego Mechanizmy krzywkowe Projektowanie wspomagane komputerowo Konstrukcje kompozytowe Podstawowe wiadomości o konstrukcjach mikro- i nanosystemów Wykaz tablic Wzory i przykłady obliczeń wytrzymałościowych Zamiana jednorodnych jednostek miar Wykaz literatury

6

7 Przedmowa Poznanie zasad budowy maszyn oraz nabycie umiejętności ich konstruowania, obsługi i remontowania wymagają opanowania wiadomości o elementach, z których buduje się maszyny i urządzenia. Zadaniom tym służy przedmiot nauczania podstawy konstrukcji maszyn lub części maszyn. Na lekcjach z tego przedmiotu uczniowie technikum zapoznają się z podstawowymi elementami i zespołami maszyn, zasadami ich obliczania i kształtowania, a także z zasadami łączenia części maszyn i ich współdziałania. Wiadomości te są niezbędne każdemu pracownikowi przemysłu maszynowego: zarówno pracującemu w dziale konstruowania maszyn, jak i zatrudnionemu przy opracowywaniu procesów technologicznych lub planowaniu produkcji, przy obsłudze, montażu, remontach maszyn itp. Nieustanny postęp w dziedzinie techniki powoduje, że stale są wprowadzane nowe rozwiązania konstrukcyjne, nowe materiały oraz coraz dokładniejsze metody obliczeń wytrzymałościowych, wskutek czego uzyskuje się m.in. lżejsze konstrukcje, obniżkę kosztów wytwarzania (zwłaszcza kosztów materiałowych) i inne korzyści gospodarcze. Bogactwo treści związanych z omawianym przedmiotem powoduje, że zarówno program nauczania, jak i podręcznik nie mogą obejmować wszystkich niezbędnych wiadomości. Tak więc zostaną przedstawione tylko podstawowe elementy i zespoły, takie jak: śruby, sprężyny, wały, łożyska, przekładnie, sprzęgła itp. stosowane powszechnie w większości maszyn. Części o charakterze specjalistycznym, jak np. kadłuby (korpusy) maszyn, tłoki, mechanizmy sterujące, będą omawiane w przedmiotach specjalistycznych. Podstawy konstrukcji maszyn (części maszyn) to przedmiot nauczania, który łączy pozostałe przedmioty ogólnozawodowe i niektóre przedmioty ogólnokształcące (rysunek techniczny, mechanikę techniczną, technologię ogólną, fizykę, matematykę) z kierunkowymi (specjalistycznymi) przedmiotami zawodowymi; wiąże wiadomości o konstruowaniu oraz obliczaniu części maszyn z ich technologią i materiałami. Aby ułatwić opanowanie zasad obliczeń wytrzymałościowych, w podręczniku pominięto niektóre parametry, uwzględniane w dokładniejszych obliczeniach, upraszczając w ten sposób metody obliczeń. Uproszczenia obejmują również: 1) zastosowanie tablic naprężeń dopuszczalnych, ustalonych przy przyjęciu przeciętnych wartości współczynników bezpieczeństwa; wartości naprężeń dopuszczalnych przyjmowane przy projektowaniu maszyn są przeważnie różnicowane także w zależności od rodzaju elementów i warunków ich pracy zwłaszcza przy uwzględnianiu czynników decydujących o wytrzymałości zmęczeniowej; 7

8 2) podanie w tablicach własności mechanicznych stali (R m, R e ) w postaci konkretnych wartości, niezależnie od wymiarów półfabrykatów (blach, prętów); w Polskich Normach PN-EN i PN-ISO wartości R m i R e dla stali są zróżnicowane w zależności od grubości wyrobu lub od średnicy pręta (przy większych wymiarach mniejsze wartości R m i R e ); 3) ograniczenie liczby różnych współczynników, stosowanych w dokładniejszych obliczeniach wytrzymałościowych w celu uwzględnienia rzeczywistych warunków pracy (np. w przypadku spoin); 4) prowadzenie obliczeń elementów maszyn w zasadzie tylko dla przekroju najbardziej narażonego na zniszczenie. Założeniem autora jest, aby w podręczniku zostały przekazane podstawowe wiadomości o konstrukcji części maszyn, zasadach ich obliczania, stosowanych materiałach oraz ogólne wytyczne o zastosowaniu typowych elementów. Podane informacje mogą być pogłębione dzięki dodatkowej literaturze technicznej. W szczególności zaleca się korzystanie z aktualnych Polskich Norm (PN), europejskich PN-EN i międzynarodowych PN-ISO, zwłaszcza wymienionych w podręczniku, a także z poradników dla mechaników.

9 1. Podstawowe zagadnienia eksploatacji maszyn i urzàdzeƒ 1. Zasady konstruowania cz Êci maszyn 1.1. Zasady ogólne l Konstruowanie jest procesem projektowania konstrukcji (np. maszyny, urządzenia). Koncepcja tej konstrukcji jest zapisywana w postaci dokumentacji technicznej. W skład dokumentacji technicznej wchodzą: l dokumentacja konstrukcyjna, obejmująca dokumenty związane z konstrukcją (budową, postacią geometryczną) projektowanego wyrobu (rysunki, obliczenia, opisy itp.), dokumentacja technologiczna, określająca technologię poszczególnych części i ich montażu. W sensie konstrukcyjnym każda maszyna składa się z zespołów i części. Zespołem nazywa się zestaw części stanowiący gotowy wyrób produkowany przez wyspecjalizowane zakłady (np. silnik, sprzęgło) lub też zestaw wynikający z wymagań technologii montażu maszyny (np. w tokarce suport, konik). Bardziej skomplikowane zespoły dzieli się na zespoły niższego rzędu (np. wrzeciono tokarki wraz z kołami zębatymi i łożyskami stanowi zespół drugiego rzędu w stosunku do wrzeciennika). Każdą maszynę oraz jej zespoły można rozłożyć na proste elementy, nazywane częściami maszyn (rys. 1.1). W nauce przedmiotu podstawy konstrukcji Rys Podział maszyny na zespoły i części 9

10 maszyn ( części maszyn ) pojęcie to obejmuje zarówno pojedyncze elementy (np. śruby, sprężyny), jak i zestawy elementów, stanowiące w zasadzie zespoły niższego rzędu (np. korpusy spawane z kilku części, łożyska toczne). Projektowanie maszyn wymaga zachowania wielu warunków. Do podstawowych zasad konstruowania maszyn zalicza się m.in.: l przystosowanie maszyny o możliwie najprostszej budowie i optymalizacji do określonych zadań eksploatacyjnych, l niezawodność i trwałość, l łatwy montaż i demontaż, l bezpieczeństwo produkcji, transportu i eksploatacji oraz ergonomiczność konstrukcji, l zapewnienie względnie małej masy i wymiarów zewnętrznych, l l niskie koszty materiałów, produkcji i eksploatacji, dbałość o estetykę maszyny. Dzięki technikom i programom komputerowym konstruowanie i towarzyszące mu obliczenia przebiegają obecnie dużo sprawniej i szybciej. Kiedyś tworzono działy konstruktorów do projektowania poszczególnych zespołów i elementów urządzenia. Dzisiaj podział maszyny na zespoły i części traci na znaczeniu. Nie projektuje się elementów składanych następnie w zespoły, lecz od razu cały obiekt o określonym przeznaczeniu (moduł). Ponadto wiele urządzeń nie jest przewidzianych do naprawy, w związku z tym cecha taka jak łatwość demontażu nie zawsze jest brana pod uwagę podczas prac projektowych Klasyfikacja i cechy u ytkowe cz Êci maszyn Większość powszechnie stosowanych części maszyn można podzielić na trzy zasadnicze grupy: l części połączeń, l łożyskowania, l części napędów. Połączeniem (złączem) nazywa się fragment konstrukcji, w którym części łączone są powiązane za pomocą łączników, tworząc połączenie pośrednie. Łącznikami są np. śruby, wpusty; funkcje łączników spełniają także spoiny, zgrzeiny itd. Są stosowane również połączenia bezpośrednie (bez łączników), np. połączenia kształtowe lub wciskowe. Połączenia dzieli się ponadto na połączenia spoczynkowe, w których części łączone są nieruchome względem siebie (np. połączenia nitowe, spawane), oraz połączenia ruchowe, w których jedna część może przesuwać się względem drugiej (np. połączenia wielowypustowe) lub obracać. Połączenia spoczynkowe można podzielić na rozłączne (np. gwintowe, kołkowe) oraz nierozłączne, których rozłączenie jest możliwe tylko przez zniszczenie łącznika lub części łączonych. 10