Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 9

Transkrypt

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 9 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 Materiały na uszczelki Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

3 Co to jest uszczelka? Jakie funkcje pełni? Jak powinna się zachowywać?

4 Uszczelki elastyczne wielokrotnego użytku Funkcja: elastyczne uszczelnienie Cel: maksymalizacja powierzchni styku (b) Ograniczenia: dopuszczalne naprężenia stykowe Niski koszt Forma: cylinder o średnicy 2r, z materiału o E, dociśnięty do płaskiej powierzchni siłą f na jednostkę długości tworzy elastyczną powierzchnie styku o szerokości b

5 Odkształcenie uszczelki: fr b 2 E Działająca siła powoduje powstanie naprężeń stykowych, które nie mogą być większe niż naprężenia niszczące materiału. Stąd: f b 3,3r max E M fe 0,6 f r f M1 max E

6 Maksymalizacja wskaźnika M 1 gwarantuje szeroką powierzchnię styku M 1 f E Naprężenia stykowe nie mogą jednak doprowadzić do uszkodzenia powierzchni a więc maksymalna siła docisku nie może przekraczać naprężeń niszczących. Należy poszukiwać materiału o jak najwyższej wartości f M 2 f 100MPa

7 uszczelki

8 M 1 - analiza wszystkich materiałów CES

9 M 1 - analiza wszystkich materiałów CES

10 M 2 - analiza tylko polimerów CES Tylko polimery

11 CES - cena

12 Analiza wybranych materiałów Materiał M Uwagi Gumy butylowe 13 Mała odporność na ciepło i niektóre rozpuszczalniki Poliuretany 0,54,5 Powszechnie stosowane Gumy silikonowe 0,10,8 Większa odpornośc na działanie temperatury, chemicznie obojętny PTFE(politetrafluoroetylen) 0,1 Drogi, stabilny chemicznie, odporny na podwyższone temperatury Polietyleny 0,050,2 tanie Polipropyleny 0,1 tanie Korek 0,1 Małe naprężenia stykowe, stabilny chemicznie Pianki polimerowe Do 0,5 Bardzo małe naciski stykowe delikatne uszczelki

13 Membrana do mierników i wyłączników ciśnieniowych Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

14

15 Na membranę działa różnica ciśnień p=p 1 -p 2. Ugięcie membrany w punkcie środkowym powinno być : maksymalne przy zachowaniu sprężystości tj. naprężenie niższe od granicy naprężeń niszczących f materiału. Ugięcie membrany: C 2 1pa 1 Et Maksymalne naprężenie w membranie: 3/ 2 C a f 1 1 3/ 2 1/ 2 C p 2 E max a C2p t 3 2 f M E 2 2 max Najlepszy jest materiał dla którego M jest maksymalne

16 3 2 f M E max

17 Dobór materiałów Materiał M 3 f 2 E [MPa ½ ] Komentarz Ceramika inżynierska 0,33 Mało wytrzymała na rozciąganie! Wyeliminować Szkła 0,5 Możliwe zastosowanie pod warunkiem zabezpieczenia przed uszkodzeniem Stal sprężynowa 0,3 Standardowy wybór. Mały współczynnik stratności zapewnia natychmiastową reakcję Stopy tytanu 0,3 Tak dobre jak stal, odporne na korozję, drogie!

18 c.d. Materiał M 3 f 2 E [MPa ½ ] Komentarz Nylony 0,3 Polimery wykazują dużą Polipropylen 0,3 skłonność do pełzania i wykazują dużą stratność. Wykonane z nich HDPE 0,3 urządzenia wykazują małą PTFE 0,3 powtarzalność Elastomery 0,5 10 Doskonała wartość M zapewnia duże odkształcenie sprężyste. Duży współczynnik stratności powoduje opóźnioną reakcję

19 Wtyczka

20

21 Jakie funkcje i wymagania ma spełniać każdy z elementów (elektryczne, mechaniczne, estetyczne, ergonomiczne itp.)? Jaka jest funkcja wtyczki i jak ona działa? Z czego są zrobione poszczególne elementy? Jaką metodą i dlaczego? Ważne pytania: Czy są alternatywne materiały lub konstrukcje, czy są propozycje zmian?

22 Umożliwić użytkownikowi zapewnienie połączenia elektrycznego między gniazdkiem a urządzeniem Zabezpieczyć przed powstaniem połączenia elektrycznego między urządzeniem a użytkownikiem! Wtyczka pewnie powinna tkwić w gniazdku Powinna być wystarczająco wytrzymała aby nie doszło do uszkodzenia w trakcie wkładania do gniazdka Musi być odporna na działanie środowiska pracy (np. temperatura, wilgotność itp.) Zabezpieczyć lub umożliwić użytkownikowi montaż wtyczki do kabla Musi być estetyczna i łatwa do uchwycenia Spełniać wymogi bezpieczeństwa Wtyczka powinna:

23 Bezpieczeństwo i efektywność pracy wtyczki zależy od zdolności różnych części do przewodzenia prądu elektrycznego Należy więc rozważyć przewodnictwo elektryczne poszczególnych części- trzy grupy Części które muszą dobrze przewodzić prąd Części które muszą być izolatorami Części dla których przewodnictwo elektryczne nie jest istotne

24 Przewodnictwo elektryczne z uwzględnieniem kosztów Tanie izolatory Tanie przewodniki

25 Jako izolatory najczęściej stosuje się polimery i ceramikę a jako przewodniki - metale a dlaczego nie np. drewno i miedź?

26 Obudowa posiada skomplikowany przestrzenny kształt. Jak można go uzyskać? Czy dowolny polimer może mieć zastosowanie?

27 Bolce wtyczki muszą być osadzone w sztywnym i wytrzymałym materiale

28 Wytrzymałość na rozciąganie polimerów jest stosunkowo niska w porównaniu z innymi materiałami jednak odpowiednia konstrukcja obudowy może zapewnić odpowiednią wytrzymałość i sztywność. Odporność na obciążenia dynamiczne (udarność) jest mocno zróżnicowana dla różnych typów polimerów (ABS, nylon versus UF)

29 Dlaczego stosuje się różne polimery? ABS wtyczki nierozłączne jednoelementowe UF - wtyczki rozłączne dwuelementowe

30 Bolce są najbardziej krytycznym elementem wymagania: Przegrzanie nie mogą się nadmiernie nagrzewać (niebezpieczeństwo pożaru!) pożądany materiał o niskiej oporności Zachowanie kształtu mimo wielokrotnego włączania i wyłączania materiał nie może ulegać zużyciu - pożądany materiał o wysokiej wytrzymałości Niski koszt materiału i produkcji

31 Dlaczego mosiądz (brass) a nie np. stal?

32 Wytwarzanie szereg możliwości!