Projektowanie elementów maszyn z tworzyw sztucznych

Transkrypt

1 Projektowanie elementów maszyn z tworzyw sztucznych Cz.II Opracował: Wojciech Wieleba Koła zębate - materiały Termoplasty PA, POM, PET PC, PEEK PE-HD, PE-UHMW Kompozyty wypełniane włóknem szklanym na osnowie PA, POM, PET, PC itp. Duroplasty EP + włókno szklane FP + włókno 2 1

2 Koła zębate - materiały Zalety materiałów polimerowych możliwość pracy bez smarowania, cichobieżność przekładni, tłumienie drgań, odporność na korozję, mały ciężar i masa, niskie koszty wytwarzania (wtryskiwanie) Rozgrzewanie materiału w wyniku tarcia Najczęściej jedno z kół jest metalowe (zwykle jest to zębnik, ze względu na większe obciążenie zębów) 3 Przekładnie zębate - zalecenia konstrukcyjne Duże koła zębate oraz produkowane w liczbie poniżej 1000 szt. wykonuje się metodą obróbki wiórowej z półfabrykatów (płyt, tarcz, tulei, itp.) Wtryskiwanie dużych kół z maksymalną grubością ścianek (14 mm) jest mało opłacalne ze względu na długi czas stygnięcia 4 2

3 Koła zębate - sugerowane proporcje t grubość zęba na średnicy podziałowej Źródło: Materiały DuPont 5 Koła zębate - Zalecenia Źródło: Materiały DuPont 6 3

4 Kształtowanie kół zębatych Źródło: Zawistowski H. Wady konstrukcyjne Mechanik Nr 4/2011. s Koła zębate - zalecenia PVL prędkość styczna na średnicy podziałowej POM Żródło: Materiały firmy DuPoint 8 4

5 Obliczenia temperatury Wzory analityczne najczęściej opierają się na wzorach empirycznych. Mają ograniczone zastosowanie do szczególnych przypadków Metody numeryczne Niezbędna znajomość właściwości materiałów kół Warunki brzegowe (np. wymiana ciepła z otoczeniem) 9 Temperatura kół zębatych - metoda analityczna T E temperatura otoczenia, P moc przenoszona przez przekładnię [kw], f CT współczynnik korekcyjny uwzględniający czas styku zębów k 2, k 3 współczynniki wyznaczone eksperymentalnie, A powierzchnia wymiany ciepła [m 2 ] (obliczeniowa), f współczynnik tarcia, t 1, t 2 liczba zębów (zębnik, koło) i przełożenie (i=t 1 /t 2 ), w szerokość zębów koła zębatego [mm], m moduł [mm], v prędkość styczna [m/s], Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag

6 Koła zębate - wstępne obliczenia wytrzymałościowe Założenia P moc [kw] n prędkość obrotowa [min -1 ] v prędkość styczna v = d 0 π n M = 9550 P n F = M d 0 m n = d 0 t 11 Koła zębate - naprężenia u podstawy zęba Y, K współczynnik korygujące m n moduł normalny w szerokość zębów Wzór uproszczony σ F = F C K w m A Y Fa Y ε n σ FN S Fmin F min minimalna wytrzymałość materiału zęba S Fmin współczynnik bezpieczeństwa Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag

7 Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag Koła zębate - nacisk na powierzchni zęba t 1, t 2 liczba zębów (zębnik, koło) H N minimalna wytrzymałość materiału zęba S Hmin współczynnik bezpieczeństwa Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag

8 Współczynniki korygujące Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag POM Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag

9 Obciążenie zębów - typowe uszkodzenia Złamanie zęba Pitting Pękanie Źródło: Erhard G. Design with Plastics. Hanser Verlag POLIMEROWE ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE 9

10 Materiały polimerowe na ślizgowe elementy maszyn Termoplasty PA, POM, PTFE, PEEK, PET, PBT, PC, PE-HD,PE-UHMW... Kompozyty termoplastyczne zawierające napełniacze włókniste (wł. szklane, węglowe, aramidowe itp.) a także dyspersyjne (grafit, MoS 2, PTFE, proszki metali) Duroplasty Kompozyty na osnowie EP, FP 19 Zalety polimerowych materiałów ślizgowych Możliwość pracy bez smarowania, mała wartość współczynnika tarcia po innych materiałach, Dobra odporność chemiczna (oleje, smary, środowisko agresywne) oraz odporność na korozję Dobra odporność na zużycie tribologiczne Łatwość formowania, niski koszt wytwarzania Możliwość wchłaniania przez powierzchnię materiału polimerowego pewnej ilości zanieczyszczeń Cichobieżność i tłumienie drgań Mały ciężar właściwy 20 10

11 Wady polimerowych materiałów ślizgowych Mała przewodność cieplna (kilkaset razy mniejsza niż stali) Duża rozszerzalność cieplna Higroskopijność niektórych materiałów polimerowych Mniejsza wytrzymałość mechaniczna w porównaniu z metalami Wymienione wady dotyczą przede wszystkim polimerów niemodyfikowanych (tzw. czystych ). Z tego powodu na elementy ślizgowe najczęściej stosuje się kompozyty polimerowe w których wymienione wady nie są tak widoczne 21 Przykłady panewek polimerowych łożysk ślizgowych Obciążenie poprzeczne F F Obciążenie poprzeczne i wzdłużne F F Obciążenie wzdłużne 22 11

12 Założenia wstępne 1.Obciążenie poprzeczne łożyska - F N [N] 2. Prędkość obrotowa czopa - n [1/min] 3. Wstępne wymiary panewki łożyska - średnica wewnętrzna - D [mm] - długość - B [mm] - jeżeli wymiary D oraz B nie są znane należy założyć λ = B / D (λ = 0,8-1,2), 4. Względny czas pracy - WCP [%], 5. Temperaturę otoczenia - T 0 [ºC] 6. Materiał na panewkę (pdop [ MPa], Tg [ºC], µ) : pdop = (0,8-1) R er 7. Materiał czopa oraz strukturę geometryczną jego powierzchni (chropowatość Rz lub Ra, twardość itp.) 23 Wstępne określenie wymiarów panewki 1. Dla przyjętej wartości λ D X max T / /(H -1) XT n T -T0 = 2680( A T) 1 e n prędkość obrotowa [1/min], H współczynnik korygujący uwzględniający rodzaj ruchu w łożysku T temperatura obliczeniowa T 0 temperatura otoczenia, µ wartość współczynnika tarcia w warunkach pracy łożyska, 1 współczynnik korygujący wartość współczynnika tarcia A stała zależna od gatunku polimeru 24 12

13 Wstępne określenie wymiarów panewki Średnica minimalna (nacisk sinusoidalny) D min = F /(2 p N dop ) D min < D n <D max Wartość nominalne średnicy D n i długość B n łożyska można przyjąć korzystając z normy ISO : Wstępne określenie wymiarów panewki Grubość tulei G = -0,0001 D n 2 + 0,087 D n + 1,14 Średnica zewnętrzna panewki łożyska D Z jest określona poprzez wymiar wewnętrzny D panewki (D=D n ) oraz grubość ścianki G D Z = D + 2G 26 13

14 Określenie nacisku p sr = F N / (D n B n ) pmax psin psr 2 Przy niewielkiej szerokości pola styku 2B H panewki z wałem (2B H < D C /6) F pmax ph max, N E 0 19 * B r r1 r2 E1 E2 r* E* 2 r r E E Ponieważ dla par metal-polimer E 1 E 2 to wówczas można przyjąć E* 2E 2 = 2E p * Obliczanie temperatury Średnia temperatura pracy polimerowego łożyska poprzecznego, gdy temperatura otoczenia T 0 nie przekracza 80 C, może być określona na podstawie wzoru T sr 318, 3 psr v T0 C H 318, 3 psr v 1+ A C H 1 Tw T0 ( 115, Tsr / 170) (Tsr T0 ) 1,5 350 C G 3 B n T w (T w T 0 ) f cp + T 0 14

15 Odkształcenia panewki p 2% max p max2% Odkształcenie panewki po upływie czasu t E G p t E DC G 1,8 F N 1 B E p t E E p [MPa] - moduł pełzania polimerów przy odkształceniu ε=1% Zużycie i trwałość Można przeprowadzić wykorzystując znajomość wskaźników odporności na zużycie np. K W lub I h Z = K w p v t, t = K W Z p v L h = Z dop 3600 K W p v 15

16 Wymiary łożyska i zabudowy D Z = D n + 2 G Gdy Tsr < 60C D 0 = D Z - W C [mm]. W C =(0,002-0,01) D Z Średnica czopa wału D C D C = D W - L C Luz całkowity L C L C = L R + L E +L W luz podstawowy L R L R = 0,01 L S D n L E 3 G h g Tsr T 0 luz eksploatacyjny L E luz montażowy L W m D n 3 G L W przegląd rozwiązań konstrukcyjnych Przykłady panewek ze szczelinami dylatacyjnymi 16

17 przegląd rozwiązań konstrukcyjnych przykłady osadzania panewek 17

18 para odwrócona panewki podatne Panewki łożysk ślizgowych -przykłady rozwiązań 36 18

19 Zalecenia konstrukcyjne dla polimerowych łożysk ślizgowych 1. Dobór materiałów na węzły ślizgowe Materiał polimerowy a) temperatura pracy b) odporność chemiczna c) graniczny iloczyn pv (PVL) d) właściwości tribologiczne e) stabilność wymiarowa f) cena materiału Materiał na element współpracujący a) Struktura geometryczna powierzchni elementu metalowego 37 Zalecenia konstrukcyjne dla polimerowych łożysk ślizgowych 2. Zalecenia dotyczące wymiarów łożysk ślizgowych Średnica wewnętrzna panewki D W wpływa na nacisk jednostkowy oraz prędkość ślizgania v. Długość panewki B wpływa na wartość średniego nacisku jednostkowego, utrudnia odprowadzanie ciepła oraz usuwanie produktów zuzywania Grubość ścianki panewki G wpływa przede wszystkim na ilość odprowadzanego ciepła przez materiał polimerowy z obszaru tarcia. Luz łożyska L C wpływa przede wszystkim na poprawną pracę łożyska