ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Transkrypt

1 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII Temat: Podstawy konstrukcji maszyn Podstawy Inżynierii Wytwarzania T 2: rysunek części maszyn projektowanie zespołów wytrzymałość materiałów obliczenia części maszyn Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski

2 Arkusze rysunkowe 5 5 Podz. 1:1 Temat: Tabelki rysunkowe Grupa: C2X1 Wojskowa Akademia Techniczna WTC Rysował Sprawdzał Imię i nazwisko Nr rys

3 Pismo techniczne PN-EN ISO :2002 (2 6) h = 2.5, 3.5, 5.0, 7.0, 10.0, 14.0 i 20.0 mm Zadanie domowe 75 3

4 Zobrazowanie przedmiotu 1. Rzuty aksonometryczne 2. Rzut prostokątny metoda europejską 3. Rzut na 3 rzutnie 4

5 Widok, przekrój 1. Widok podstawowy 2. Widok cząstkowy 3. Półwidok / półprzekrój Metoda przekroju: przecięcie przedmiotu płaszczyzną przekroju; odrzucenie części przedmiotu; narysowanie widoku pozostałej części przedmiotu na rzutni równoległej do płaszczyzny przekroju. 5

6 Kreskowanie Pełny przekrój Półwidok - półprzekrój Przekrój elementu cienkościennego 6

7 50 30 Wymiarowanie Linie wymiarowe rysuje się linią ciągłą, cienką, równolegle do wymiarowanego odcinka w odległości co najmniej 10 mm od zarysu przedmiotu z odstępem co najmniej 7 mm. Linie te są zakończone grotami dotykającymi ostrzem krawędzi przedmiotu, pomocniczych linii wymiarowych lub osi symetrii. Linie wymiarowe nie mogą się przecinać. Pomocnicze linie wymiarowe są to linie ciągłe cienkie, będące przedłużeniami wymiarowanych krawędzi przedmiotu. Rysuje sieje prostopadle do mierzonego odcinka. Pomocnicze linie wymiarowe mogą się przecinać. 60 7

8 Wymiarowanie x R

9 Zasady wymiarowania 1. Niepowtarzania wymiarów 2. Pomijania wymiarów oczywistych 3. Wymiarów koniecznych 4. Niezamykania łańcuchów wymiarowych 5. Wymiarowania do baz wymiarowych 6. Grupowania wymiarów 9

10 Uproszczenia połączeń spawanych 10

11 Uproszczenia połączeń gwintowych M8x1.5 Tr 48x8 1/2

12 Rysunek wykonawczy 12

13 Rysunek złożeniowy 13

14 Rysunek schematyczny Służy do zilustrowania zasady działania urządzenia. Ukazuje jedynie jego najważniejsze elementy, gdyż nie zawiera szczegółów konstrukcyjnych. Ich ważną cechą jest wskazanie i oznaczenie kierunku ruchu poszczególnych podzespołów. 14

15 Rysunek eksplodujący 15

16 Tolerancja wymiaru Wymiar nominalny N zakładany teoretyczny wymiar elementu. Wymiar rzeczywisty zawiera się pomiędzy górnym i dolnym wymiarem granicznym. Tolerancja różnica wymiarów granicznych. T = B - A es = B N (ES) ei = A N (EI) Nei es Tolerancje i ich odchyłki są wartościami znormalizowanymi IT (International Tolerance) 01, 0, 1, 2, 17 klasy dokładności A, B, C, Z, ZC pola tolerancji dla otworów a, b, c, z, za, zb pola tolerancji dla wałków 16

17 Tolerancje i pasowania 44 wymiar nominalny H rodzaj tolerancji 6 klasa wykonania mm 17

18 Pasowanie Pasowanie wzajemna relacja między wymiarami dwóch łączonych elementów (otworu i wałka), które mają ten sam wymiar nominalny. Lmin = Ao (otworu) Bw (wałka) = EI es Lmax = Bo (otworu) Aw (wałka) = ES ei 10H7/f6 18H7/p6 12H7/g6 18

19 Chropowatość powierzchni Chropowatość elementy struktury geometrycznej powierzchni (mikronierówności), powstałe w czasie procesu jej kształtowania, nie zawierające falistości i odchyłek kształtu. Średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości Ra jest to średnia arytmetyczna wartość bezwzględnych odchyleń profilu y od linii średniej m, w przedziale odcinka elementarnego l. 19

20 Chropowatość a rodzaj obróbki 20

21 Błędy makrostruktury A 90 A A tol. nachylenia tol. współosiowości tol. symetrii tol. pozycji tol. przecinania się osi 0.02/ tol. bicia promieniowego tol. bicia osiowego tol. kształtu zarysu tol. kształtu powierzchni 21

22 Bezkier unkowa Wielokierunkowa Jednokierunkowa Jakość powierzchni PN-74/M Kierunkowość Przykład Ślady obróbki Symbol Równoległa do linii przedstawiającej powierzchnię Struganie, dłutowanie Prostopadła do linii przedstawiającej powierzchnię Współśrodkowa względem środka powierzchni Krzyżowo do linii przedstawiającej powierzchnię Toczenie wzdłużne, struganie, dłutowanie Toczenie czołowe, frezowanie czołowe Frezowanie czołowe, gładzenie C Nieuporządkowana Promieniowa względem środka powierzchni Punktowa Skrobanie, docieranie Szlifowanie czołowe Obr. elektroiskrowa, strumieniowa M R P 22

23 Reakcja materiału na obciążenie Naprężenia Odkształcenia 1. sprężyste - gdy ciało odkształcone po odciążeniu wraca do swojej pierwotnej postaci, 2. plastyczne - gdy w ciele po odciążeniu pozostają pewne odkształcenia, zwane odkształceniami trwałymi. SIŁA NAPRĘŻENIE ODKSZTAŁCENIE DEFORMACJA 23

24 Zachowanie materiału pod obciążeniem Odkształcenie całkowite l (bezwzględne) l = l 1 l [mm] dla rozciągania l > 0 i nazywana jest wydłużeniem dla ściskania l < 0 i nazywana jest skróceniem Odkształcenie jednostkowe (względne) h 2 h 2 l 2 Liczba Poisona Materiał Stal Żeliwo Miedź Aluminium Ołów 0.46 Szkło Beton h 1 h 1 h h l Liczba Poisona jest stała dla danego materiału, określa jego właściwości wytrzymałościowe, nie zależy od wymiarów i kształtu elementu. l 1 24

25 Prawo Hooke a W zakresie odkształceń sprężystych, wydłużenie l jest wprost proporcjonalne do wartości siły wymuszającej F działającej na dany element oraz jego długości l, a odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego S tego elementu. przyjmując, że s = E E moduł sprężystości wzdłużnej, zwany modułem Younga. Charakteryzuje on odporność materiału na odkształcenia, im jest większy, tym materiał jest mniej podatny na odkształcenie. Materiał Moduł Younga E [GPa] Stal 200 Żeliwo Miedź Aluminium Ołów 17 Szkło 50 Beton

26 Statyczna próba rozciągania Główna metoda określenia podstawowych właściwości mechanicznych materiałów PN-EN :

27 Siła F [kn] Statyczna próba rozciągania 1. Granica proporcjonalności R H Poniżej R H obowiązuje prawo Hoocke a, a materiał po odciążeniu powraca do pierwotnej postaci. 2. Granica sprężystości R 0.05 Wartość umowna dla naprężenia odpowiadającego trwałemu wydłużeniu próbki o 0.05% jej długości. 3. Granica plastyczności R e Powyżej R e w dochodzi do zmian trwałych w strukturze materiału oraz do jego umocnienia się. R 0.2 umowna granica plastyczności. 4. Wytrzymałość na rozciąganie R m Powyżej R m dochodzi do lokalizacji odkształcenia i powstania szyjki. 5. Wytrzymałość na rozrywanie R u 6. Wydłużenie jednostkowe A Zależy od kształtu próbki (długość / przekroju) próbki znormalizowane. 7. Przewężenie względne Z 27 F m F u F e F H I II III F F 0.2 I - zakres liniowej zależności F- l II - zakres nieliniowej zależności F- l (plastyczne płynięcie materiału) III - zakres umocnienia plastycznego R u e H m R = F m H e u S o Wydłużenie l [mm, %] [MPa] l u - l o A = 100 [%] l o l

28 Ściskanie Podział materiałów ze względu na ukierunkowanie ich właściwości: 1. Materiały anizotropowe 2. Materiały izotropowe R c = F c S o [MPa] Materiał Oznaczenie wg PN-EN (PN) Granica wytrzymałości R m [MPa] Granica plastyczności R 0.2 [MPa] Wydłużenie A 0.5 [%] Stal niestopowa S235JR (St 3S) Stal niestopowa C10 (10) Stal niestopowa C65 (65) Stal stopowa 15H4 (15H) Stal stopowa 18HGT Stal sprężynowa 55GS4-4 (55 GS) Mosiądz CuZn Stop aluminium AlSi Żeliwo szare EN-GJL Żeliwo ciągliwe EN-GJMB Tworzywa sztuczne Kamień naturalny (przy ściskaniu) Drewno (przy rozciąganiu wzdłuż włókien)

29 Naprężenia dopuszczalne Elementy składowe konstrukcyjne muszą spełniać dwa podstawowe warunki: 1. Wytrzymałościowy - w czasie pracy element ten nie może ulec zniszczeniu na skutek przekroczenia dopuszczalnych dla niego obciążeń; 2. Sztywności - w czasie pracy może on ulegać tylko niewielkim odkształceniom o charakterze sprężystym. Konstrukcje należy tak projektować, aby powstające w nich naprężenia były mniejsze od wytrzymałości materiału, np. na rozciąganie R m, a także mniejsze od granicy sprężystości R s. Naprężenia jakie mogą występować w materiale bez naruszenia tych warunków nazywamy naprężeniami dopuszczalnymi. Wyznacza się je na podstawie granicy plastyczności R e dla materiałów plastycznych lub wytrzymałości R m dla materiałów kruchych, z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa, zgodnie z następującymi wzorami: 29 k = k = R e x e R m x m - dla materiałów plastycznych - dla materiałów kruchych x e, x m współczynniki bezpieczeństwa Materiał Naprężenia dopuszczalne [MPa] Stal niestopowa zwykłej jakości Stal niestopowa konstrukcyjna <200 Stal stopowa <600 Mosiądz Aluminium Żeliwo szare 60 / Brąz Beton / 2-10 Cegła / 1-3 Drewno (-) / 1-3 ( )

30 Współczynnik bezpieczeństwa x e(m) Jego wartość jest zmienna w zależności od rodzaju projektowanej konstrukcji, jej przeznaczenia, rodzaju materiału, stopnia bezpieczeństwa, niezawodności, możliwości wystąpienia obciążeń zmiennych, kształtu części itp. i zawiera się w przedziale 1 10, zazwyczaj jednak 2 3. Wartość ta wskazuje, ile razy naprężenie w materiale musi być mniejsze od granicy wytrzymałości R m (R e ), aby materiał mógł spełnić jednocześnie warunek wytrzymałości i sztywności. W zależności od rodzaju konstrukcji Przy bardzo dokładnych obliczeniach, jednorodnym materiale, dokładnym wykonaniu Dla przeciętnych warunków pracy Dla niezbyt dokładnych obliczeń, przypadków statycznie niewyznaczalnych, niekorzystnych warunków pracy, odpowiedzialnych konstrukcji W zależności od rodzaju materiału Stal, staliwo, żeliwo ciągliwe 3 Mosiądz 3.5 Brąz 3.9 Stopy aluminium 30

31 Naprężenia rzeczywiste Rodzaje naprężeń: 1. Normalne s = N 2. Styczne S t = Rozciąganie Ściskanie Ścinanie Zginanie Skręcanie 31 s (t) = F k S s r = F S t r = t s = F S M s W o Naciski powierzchniowe k r k t k s N S s c = F S s g = p = F S M g W x gdzie: N - siła normalna, T - siła styczna, S - pole przekroju. k c k g k o W x, W o wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie / skręcanie [m 3 ], k dopuszczalne naprężenia, M g, M s moment gnący, skręcający.

32 Obliczenia wytrzymałościowe Połączenia nitowe spoczynkowe, nierozłączne NIT 8x40-B łeb kulisty 8 mm i długości 40 mm, stalowy, średnio dokładny (B), bez powłoki ochronnej. Docisk musi zapewniać powstanie sił tarcia, równoważących przenoszone obciążenia. T = F r = s r d 2 /4 1. Rozrywanie blach 2. Ścinanie nitów 3. Nacisk nitów na ściany otworów g, b - grubość i szerokość blachy, d średnica otworu, n liczba nitów, m - liczba ścinanych przekrojów 32

33 Połączenia gwintowe - rodzaje M Tr S G lub R p R d M48x8(P z 4)LH M metryczny o średnicy d = 48 mm, skok P = 8 i podziałka P z = 4 mm (gwint 2-krotny), LH - lewoskrętny 33

34 Połączenia gwintowe - obliczenia 1. Śruba bez napięcia wstępnego obciążona siłą osiową P r powierzchnia przekroju śruby; d 3 średnica rdzenia śruby; x = wsp. bezpieczeństwa 2. Śruba bez napięcia wstępnego obciążona siłą osiową i momentem skręcającym 3. Śruba obciążona resztkową siłą osiową 4. Śruba obciążona siłą poprzeczną d średnica śruby; g grubość ścianki łączonych elementów 34

35 Obliczenia wytrzymałościowe Połączenia klinowe wzdłużne, poprzeczne, nastawcze rozrywanie przekroi osłabionych otworami, zginanie klina, naciski powierzchniowe. Połączenia podatne gumowe rozrywanie, ścinanie, skręcanie; sprężyny skręcanie, ścinanie. Połączenia wciskowe wtłaczane, skurczowe, rozprężne naciski powierzchniowe, tarcie, chropowatość, rozszerzalność cieplną. 35

36 Połączenia spawane Czołowe Obliczenia można pominąć, gdy: przeprowadza się kontrolę defektoskopową spoiny; pole przekroju spoiny jest nie mniejsze niż blachy. Zakładkowe 1. Przy obciążeniu siłą osiową F a 2. Przy obciążeniu momentem od siły F 36

37 Wały i osie To części maszyn wykonujące ruch obrotowy, na których osadzono inne elementy konstrukcyjne (koła, dźwignie). Osie obciążone są momentem gnącym, a wały dodatkowo m. obrotowym. 37

38 Wały i osie - obliczenia Osie średnicę wyznaczamy z ogólnego warunku wytrzymałościowego Wały długie średnicę wyznaczamy z warunku wytrzymałości skrętnej Wały maszynowe dwupodporowe, wyznaczamy: met. statyki sił zewnętrznych ( F yz = 0), M g, M s i M z, d wału w przekrojach czynnych. k g oraz 38

39 Łożyska ślizgowe Służą do mocowania wałów i osi, umożliwiając ich ruch obrotowy. Moment oporu tarcia pomiędzy czopem a panewką wyraża się wzorem M t = T r t = T d/2 natomiast nacisk Tarcie może być: suche graniczne mieszane płynne 39

40 Łożyska toczne Zalety: znikome opory, małe zużycie smarów, nie wymaga docierania, łatwa naprawa przez wymianę. Wady: trudny demontaż, duża dokładność wykonania czopa i obudowy, niska odporność na obciążenia udarowe, zła praca przy dużych szybkościach obrotowych, duże wymiary poprzeczne. Łożyska toczne dobieramy w zależności od: wartości i kierunku obciążenia, gabarytów, prędkości obrotowej, dokładności wykonania i cichobieżności, sztywności łożyskowania. trwałości łożyska L (liczba obrotów lub godzin pracy), nośności ruchowej C (wartość obciążenia przy trwałości 1 mln obrotów i 33⅓ obr/min) i spoczynkowej C o, obciążenia zastępczego P. q = 3 dla łożysk kulkowych 10/3 dla łożysk wałeczkowych 40

41 Koła zębate - rodzaje W zależności od kształtu koła od kształtu zarysu zęba walcowe stożkowe o zarysie krzywoliniowym zębatki prostokątne trapezowe trójkątne krzywoliniowe (ewolwentowe) 41

42 Koła zębate - rodzaje W zależności od kształtu linii zęba proste skośne łukowe daszkowe o uzębieniu zewnętrznym lub wewnętrznym o układzie prostym lub pierścieniowym z zębami prostymi lub beczkowatymi 42

43 Koła zębate konstrukcja i obliczenia Obliczenia wytrzymałościowe naciski międzyzębne nie powodujące wykruszeń powierzchni roboczej zęba (pitting) F n siła docisku - promień zastępczy walców L długość walców Z E współ. sprężystości zginanie podstawy zęba T g moment gnący W x wskaźnik wytrzym. na zginanie 43