Wprowadzenie W programie MechKonstruktor można zaprojektować wał maszynowy, obrotowy dwupodporowy, statycznie wyznaczalny. Podpory mogą mieć dowolne położonie wzdłuż osi wału. W programie nie ma ograniczeń co do długości wału, liczby obciążeń, stopni wału, itd. Należy pamiętać, że sprawne wykonanie obliczeń konstrukcyjnych wału maszynowego, głównie zależy od poprawnego i kompletnego przygotowania danych tj. długość wału, rozstaw podpór, współrzędne punktów przyłożenia obciążeń, liczba stopni wału, materiał przeznaczony na wał, itp. Aby rozpocząć obliczenia wału należy w oknie projektu umieścić obiekt graficzny przedstawiający wał, co pokazano na rys.1. Rys.1. Tworzenie obiektu graficznego wału Z paska narzędzi wybieramy (klikając lewym klawiszem myszy) ikonę przedstawiającą wał, a następnie klikamy w lewym klawiszem myszy w oknie projektu. Zostanie w nim utworzony obiekt graficzny symbolizujący wał. Następnie należy z menu kontekstowego (rys.2) wału wybrać opcję Obliczenia, lub dwukrotnie na nim (obiekcie) kliknąć lewym klawiszem myszy. Rys.2. Menu kontekstowe wału Zostanie wówczas otworzone okno, które przedstawiono na rys.3.
Rys.3. Okno obliczeń wału W oknie tym pojawia się układ współrzędnych XYZ. Każda z osi ma przypisany kolor. I tak oś OX ma kolor czerwony, oś OY kolor zielony zaś do osi OZ przypisano kolor niebieski. W programie przyjęto, że oś OX jest osią wału, którą zaznaczono kolorem żółtym. W przypadku, gdyby wał był częścią projektowanego układu napędowego, to wówczas na tle wału automatycznie (po otwarciu okna do obliczeń wału) pojawią się obciążenia w początku układu współrzędnych. W górnej części okna obliczeń wału znajduje się pasek menu zawierający ikony przedstawiające tryby obliczeń (rys.4). Rys.4. Tryby obliczeń wału Można wyróżnić: tryb wprowadzania obciążeń, tryb kształtowania wału, tryb widoku. W trybie wprowadzania obciążeń ustala się cechy geometryczne wału (długość, rozstaw podpór), obciążenia działające na wał, wylicza reakcje w podporach, wyznacza wykresy momentów: zginającego, skręcającego oraz zastępczego. W trybie kształtowania wału określa się minimalne średnice wału z warunku wytrzymałości oraz z warunków geometrycznych. Ustala się liczbę stopni wału, ich średnice i długości. Ponadto dobiera się łożyska toczne. W trybie widoku wyznacza się strzałki ugięcia oraz kąty ugięcia wału, a także można zobaczyć ukształtowany wał w postaci trójwymiarowej.
1. Tryb wprowadzania obciążeń W tym trybie głównym zadaniem jest przygotowanie cech geometrycznych wału: długość, rozstaw podpór oraz wprowadzenie obciążeń oddziałujących na wał. Do tego będą pomocne ikony umieszczone w pasku narzędzi, które pokazano na rys.5. Pasek narzędzi został podzielony na trzy grupy ikon. Rys.5. Pasek narzędzi w trybie wprowadzania obciążeń W pierwszej grupie, ikony służą do obsługi ekranu. Ikona (Przesuń ekran) pozwala na przesuwanie wałka po ekranie, natomiast ikona (Powiększenie / Pomniejszenie) służy do jego powiększania lub pomniejszania. Ikona (Obrót) umożliwia obrót wałka względem początku układu współrzędnych, a ikona (Dopasuj ekran) służy do dopasowania wielkości wałka do wielkości ekranu (pola graficznego). Druga grupa ikon służy do przedstawienia wałka w płaszczyznach XY, XZ, YZ lub w aksonometrii. Trzecia grupa ikon odpowiada za wprowadzanie danych geometrycznych wałka oraz jego obciążeń. 1.1. Cechy geometryczne Ikona (Właściwości) umożliwia określenie cech geometrycznych wałka. Wybierając tą ikonę (klikając lewym klawiszem myszy na tej ikonie) otwieramy okno, które posiada trzy zakładki: Właściwości, Materiał, Opcje. W zakładce Właściwości określamy długość wałka L, współrzędne podpory stałej X s oraz podpory ruchomej X r, co pokazano na rys.6. Rys.6. Okno zakładki: Właściwości Ponadto w przypadku, gdy projektowany wał jest elementem składowym określonego układu napędowego, tzn. wał połączony jest z dowolną przekładnią, to program automatycznie wprowadza moc P oraz prędkość obrotową n, z którą obraca się wał. Natomiast w przypadku, gdy projektowany wał nie jest połączony z jakąkolwiek przekładnią należy samemu wprowadzić wartości mocy P i prędkości obrotowej n.
Należy również określić warunki geometryczne wymagane podczas kształtowania wałka. Program umożliwia kształtowanie m.in. ze względu na: - dopuszczalny kąt ugięcia wałka Θ dop Ugięcie wałka jest istotne m.in. w jego punktach podparcia (podporach), w których znajdują się łożyska. Zatem wartości dopuszczalnego kąta ugięcia wałka Θ dop są ściśle określone dla danego rodzaju łożyska. W tab.1 podano wartości tych kątów dla różnych rodzajów łożysk tocznych. Tab.1. Dopuszczalne kąty ugięcia wałka Θ dop dla różnych rodzajów łożysk tocznych Rodzaj łożyska tocznego Kulkowe zwykłe (przy pasowaniu K5/I6) a) luz poprzeczny normalny b) luz poprzeczny C3 c) luz poprzeczny C4 Dopuszczalny kąt ugięcia wałka Θ dop [rad] 0.0023 0.0030 0.0047 Kulkowe wahliwe 0.07 Baryłkowe jednorzędowe 0.035 0.07 Wałeczkowe i stożkowe a) wałeczkowe typów N i NU serii 10, 2, 3, 4 b) pozostałe 0.00116 0.00058 - dopuszczalna strzałka ugięcia wałka f dop Ugięcie wałka jest również istotne w miejscach współpracy dwóch kół zębatych. Jednakże w tym przypadku określa się wartość dopuszczalnej strzałki ugięcia wałka f dop. Jej wartość przyjmuje się wg następujących zaleceń: a) dla przekładni zębatych gdzie: m moduł koła zębatego. b) ogólnie dla wałów maszynowych gdzie: l rozstaw podpór (łożysk). f dop = (0.005 0.01) * m f dop = (2 3) * 10-4 * l Ponadto należy ustalić dla jakiej współrzędnej x jest określona dopuszczalna strzałka ugięcia wałka f dop. W przypadku, gdy na wałku są osadzone koła zębate, to współrzędna ta określa położenie koła zębatego. W celu uproszczenia obsługi programu wystarczy podać nazwę przekładni, dla której zostanie przypisana dopuszczalna strzałka ugięcia wałka f dop. Często się zdarza, że na wałku osadzone są więcej niż jedno koło zębate, wówczas należy podać przekładnię, która najbardziej obciąża wał (największy moment gnący M g ). - dopuszczalny kąt skręcenia wałka γ dop Ogólnie wartości dopuszczalnych kątów skręcenia wałka γ dop należą do przedziału: γ dop = (0.002 0.01) [rad/m], które przyjmuje się w zależności od przeznaczenia wału i charakteru obciążenia. Dla wałów napędowych orientacyjnie można przyjąć: przy obciążeniach jednostronnie zmiennych γ dop = 0.004 [rad/m]; przy obciążeniach obustronnie zmiennych γ dop = 0.0025 [rad/m].
- współczynnik bezpieczeństwa W przypadku wałów napędowych wartość tego współczynnika powinna zawierać się w przedziale 2 4. W zakładce Materiał określamy rodzaj materiału, z którego będzie wykonany projektowany wałek, co pokazano na rys.7. Rys.7. Okno zakładki: Materiał W programie podano parametry kilku podstawowych materiałów stosowanych na wałki. Parametry tj.: granica proporcjonalności R m, granica plastyczności R e, wytrzymałość zmęczeniowa na zginanie (obciążenia obustronne) Z go, wytrzymałość zmęczeniowa na zginanie (obciążenia jednostronne) Z gj, wytrzymałość zmęczeniowa na skręcanie (obciążenia obustronne) Z so, wytrzymałość zmęczeniowa na skręcanie (obciążenia jednostronne) Z sj potrzebne są do kształtowania wałka na podstawie różnych warunków, które szerzej opisano w trybie kształtowania wału. Zaznaczenie jednego z podanych materiałów jest równoznaczne z przyjęciem tego materiału jako materiał wałka. Program umożliwia dodanie własnego materiału. W tym celu należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie. Otrzymuje się okno, w którym należy podać nazwę materiału, z którego chcemy aby był wykonany wał oraz jego parametry, co pokazano na rys.8. Rys.8. Okno: Dodaj materiał W tab.2 podano orientacyjne zależności wytrzymałości zmęczeniowej od granicy plastyczności R e oraz granicy proporcjonalności R m. Granicę plastyczności R e oraz granicę proporcjonalności R m należy odczytać z odpowiednich tabel materiałowych.
Tab.2. Orientacyjna zależność wytrzymałości zmęczeniowej od R e oraz R m. Materiał Zginanie Skręcanie Z gj Z go Z sj Z so Stale niestopowe 0.76R m 0.42R m 0.50R m 0.25R e Stale stopowe 0.66R m 0.42R m 0.46R m 0.25R e Żeliwa ciągliwe 0.56R m 0.33R m 0.36R m 0.21R e Po wprowadzeniu tych danych, aby je zaakceptować należy lewym przyciskiem myszy kliknąć na przycisku dodaj. Aby usunąć, z bazy danych, wprowadzony materiał należy zaznaczyć ten materiał a następnie przycisnąć lewym klawiszem myszy na ikonie. W zakładce Opcje możemy zmienić podziałkę pokazywanych w polu graficznym wartości sił oraz momentów, a także określić kolor tła pola graficznego (w programie jest przyjęty niebieski kolor tła) i rozmiar czcionki opisów znajdujących się w polu graficznym. Okno tej zakładki pokazano na rys.9. 1.2. Obciążenie Rys.9. Okno zakładki: Opcje Sposób wprowadzania obciążeń oraz określania ich położenia jest zależny od tego, czy projektowany wał jest elementem ściśle określonego układu napędowego (jest połączony z przekładnią), czy też jest samodzielnym elementem. W przypadku, gdy wał nie jest podłączony do jakiejkolwiek przekładni, tzn. jest samodzielnym elementem należy wprowadzić wartości sił oraz ich położenie względem układu współrzędnych. Przyjęty w programie algorytm obliczeń wału wymaga, aby obciążenia czynne, działające na wał, były tylko siłami skupionymi. Powoduje to, że momenty gnące M g, momenty skręcające M s oraz obciążenia ciągłe q, oddziałujące na wał, należy zastąpić równoważnymi parami sił (dla momentów) lub siłami skupionymi (w przypadku obciążenia ciągłego), w sposób podany schematycznie na rys.10. Wynika stąd, że jedna i ta sama współrzędna x(i), może określać więcej, niż jeden punkt przyłożenia sił czynnych do wału.
a) b) c) Rys.10. Sposób zamiany a) momentu gnącego, b) momentu skręcającego, c) obciążenia ciągłego Siły obciążające wał oraz dane określające ich punkty przyłożenia mogą być, w zależności od wygody, czy upodobań, podawane w układzie współrzędnych kartezjańskich lub w układzie współrzędnych biegunowych. Do wprowadzania tych danych służy ikona (Dodaj siłę). W układzie współrzędnych kartezjańskich należy podać: - współrzędne punktu (i) przyłożenia siły x(i), y(i), z(i) gdzie: y(i) oraz z(i) przyjmują wartości dodatnie lub ujemne, w zależności od położenia punktu przyłożenia siły względem podanego na rys.11 układu współrzędnych; - wartości składowych i-tej siły: F x (i), F y (i), F z (i), które przyjmuje się jako dodatnie, gdy ich zwroty są zgodne ze zwrotami odpowiednich osi układu współrzędnych.
Rys.11. Dane wprowadzane w układzie współrzędnych kartezjańskich Okno służące do wprowadzania sił czynnych w układzie kartezjańskim pokazano na rys.12. Rys.12. Okno wprowadzania sił czynnych w układzie kartezjańskim W układzie współrzędnych biegunowych należy podać: - współrzędne punktu (i) przyłożenia siły: x(i), α(i), r(i) gdzie: wartość kąta α(i) jest dodatnia, gdy ma zwrot przeciwny do ruchu wskazówek zegara (rys.13); - wartości składowych i-tej siły: F o (i), F r (i), F x (i) gdzie: siła obwodowa F o (i) jest dodatnia, gdy ma zwrot przeciwny do ruchu wskazówek zegara; siła promieniowa F r (i) jest dodatnia, gdy jest skierowana do osi wału; siła wzdłużna F x (i) jest dodatnia, gdy jej zwrot jest zgodny ze zwrotem osi 0X.
Rys.13. Dane wprowadzane w układzie współrzędnych biegunowych Okno służące do wprowadzania sił czynnych w układzie biegunowym pokazano na rys.14. Rys.14. Okno wprowadzania sił czynnych w układzie biegunowym Każda siła przedstawiona na schemacie (niezależnie w jakim układzie została wprowadzona) ma swoją nazwę i kolor, dzięki czemu jest łatwiejsza do identyfikacji. Rys.15. Okno: Edycja sił
Wszystkie wprowadzone siły zgromadzone są w edytorze, który przedstawia wcześniej wprowadzone ich parametry (nazwa siły, wartość, współrzędne oraz kolory jakimi je oznaczono). Parametry te można edytować, tzn. można je zmieniać. Edytor sił przedstawiono na rys.15, a do jego wywołania służy ikona (Edycja sił) z paska narzędzi. W celu usunięcia wcześniej wprowadzonej siły służy ikona (Usuń siłę). Jednakże, aby usunąć siłę należy otworzyć okno Edycji sił (za pomocą ikony ), następnie wybrać nazwę siły, którą chce się usunąć oraz przycisnąć lewym klawiszem myszy na ikonie z paska narzędzi. W przypadku, gdy projektowany wał jest elementem ściśle określonego układu napędowego (jest połączony z przekładnią), wartości sił, pochodzących od przekładni, oraz ich współrzędne punktów przyłożenia są automatycznie pobierane z przekładni i wprowadzane do schematu wałka w polu graficznym. Algorytm programu jest w taki sposób opracowany, że konstruktor korzystający z tego programu podczas projektowania wałka musi sam określić, za pomocą okna Edycja sił, położenie tych sił wzdłuż osi wałka, tzn. określić dla każdej siły współrzędną x(i). Program pierwotnie ustala dla wszystkich sił współrzędną x=0. Wartości tych sił oraz współrzędnych ich punktu przyłożenia nie można usunąć, ale można zmienić ich zwrot oraz ustalić czy współrzędne są dodatnie, czy też ujemne. Do tego również służy okno Edycja sił. 1.3. Reakcje W Edytorze sił, poniżej Właściwości sił, program podaje wyliczone reakcje w podporach. Należy pamiętać, że po jakiejkolwiek zmianie obciążeń wału (wartość siły, współrzędna jej przyłożenia) zmieniają się wartości reakcji i program automatycznie je wyznacza. Do pokazania reakcji w podporach w polu graficznym, na tle wałka, służy ikona (Pokaż reakcje). Wywołanie tej ikony powoduje wyświetlenie na ekranie składowych reakcji: dla podpory stałej: R sx, R sy, R sz oraz dla podpory ruchomej: R ry, R rz. Rys.16. Okno: Edycji sił pokazujące reakcje w podporach Ponadto program podaje wartości reakcji wypadkowych w podporach: stałej R s i ruchomej R r 1.4. Wykresy momentów
Działające na wał obciążenia tworzą momenty gnące M g i skręcające M s. Program MechKonstruktor umożliwia ich pokazanie w polu graficznym. W tym celu należy wybrać ikonę (Wykresy). Przykładowy wykres momentów gnących pokazano na rys.17. Rys.17. Wykres momentu zastępczego M z W dolnej części okna programu pojawiają się trzy zakładki: Moment gnący, Moment zastępczy, Moment skręcający. Wybierając odpowiednią zakładkę, umożliwiamy pokazanie na ekranie wykresów momentów gnących M g, momentów skręcających M s oraz momentów zastępczych M z. Jeśli obciążenia działają w kilku płaszczyznach to wykres momentów gnących można obejrzeć w płaszczyźnie XY (ikona ), XZ (ikona ) oraz wypadkowy moment gnący w aksonometrii (ikona ). Moment skręcający można zobaczyć w aksonometrii ( ), a także w płaszczyźnie XY ( ). Moment zastępczy, utworzony na podstawie wypadkowego momentu gnącego i momentu skręcającego można zobaczyć w aksonometrii ( ) oraz w płaszczyźnie XY ( ). Ponadto przy każdym momencie wyświetlany jest suwak, który umożliwia dla dowolnej współrzędnej x odczytać wartość momentu. Przesuwając suwakiem zmieniamy jego położenie wzdłuż osi wałka, co umożliwia odczytanie wartości momentu dla dowolnej długości wałka. Można również z klawiatury podać współrzędną x (okienko: położenie x =) i odczytać dla niej wartość momentu. 2. Tryb kształtowania wału
Po przejściu do trybu kształtowania wału program automatycznie w polu graficznym generuje oś wału oraz pionowe linie kreskowe wskazujące początek i koniec wału, a także położenie podpór: ruchomej i stałej oraz linii działania sił czynnych na wał, co pokazano na rys.18. Rys.18. Widok okna w trybie kształtowania wału Podczas kształtowania wału będą pomocne ikony znajdujące się w pasku narzędzi, który pokazano na rys.19 Rys.19. Pasek narzędzi w trybie kształtowania wału Proces kształtowania wału rozpoczynamy od wygenerowania paraboli stałej wytrzymałości, obrazującej minimalną średnicę wału d wyznaczoną na podstawie momentu zastępczego M z wg zależności: d 3 32M π k go z Klikając lewym przyciskiem myszy na ikonie (Minimalna średnica ze względu na moment zastępczy) wprowadzamy stałą wytrzymałości w polu graficznym na tle osi wału, rys.20.
Rys.20. Widok stałej wytrzymałości Na bazie tej stałej kształtujemy wał poprzez dodawanie kolejnego stopnia za pomocą ikony (Dodaj/Wstaw stopień). Do każdego stopnia wału przypisana jest średnica oraz jego długość, które automatycznie wyświetlane są w polu graficznym, rys.21. Rys.21. Widok wstawionego stopnia wału na tle stałej wytrzymałości Po wprowadzeniu stopnia jego obrys ma kolor żółty. Przed wprowadzeniem kolejnego stopnia wału należy kliknąć lewym klawiszem myszy na polu graficznym (w dowolnym miejscu), aby zarys wprowadzonego wcześniej stopnia przyjął kolor zielony. Ten zabieg ma za zadanie zatwierdzenie wymiarów (średnica i długość) wprowadzonego stopnia. Dopiero wówczas można wprowadzić następny stopień wału za pomocą ikony (Dodaj/Wstaw stopień). Zabieg zatwierdzania wymiarów stopnia wału należy powtarzać zawsze przed wprowadzaniem następnego stopnia. Wprowadzone stopnie można modyfikować, tzn. zmieniać średnicę i długość, za pomocą myszy lub klawiatury. Zmiana wymiarów stopnia wału za pomocą myszy Klikając lewym klawiszem myszy na obrysie modyfikowanego stopnia zmieniamy jego kolor z zielonego na żółty. Wówczas uaktywniamy ten stopień. Na końcu obrysu modyfikowanego stopnia pojawią się trzy kwadraciki służące do zmiany wymiarów stopnia wału. Przytrzymując kursorem myszy, za pomocą lewego przycisku myszy, na kwadraciku znajdującym się w osi wału, a następnie przesuwając myszą powodujemy jedynie zmianę długości stopnia.
Postępując podobnie z kwadracikiem znajdującym się w połowie długości stopnia zmieniamy jedynie średnicę stopnia wału. Natomiast za pomocą kwadracika znajdującego się w rogu stopnia modyfikujemy jednocześnie średnicę i długość stopnia wału. Zmiana wymiarów stopnia wału za pomocą klawiatury Klikając dwukrotnie lewym klawiszem myszy na obrysie modyfikowanego stopnia wału wywołujemy w polu graficznym okno, w którym za pomocą klawiatury możemy wprowadzić długość i średnicę stopnia, rys.22. W oknie tym podawany jest również numer modyfikowanego stopnia. Rys.22. Okno służące do zmiany średnicy i długości stopnia wału Oczywiście podczas kształtowania wału możemy go przesuwać po polu graficznym, powiększać lub pomniejszać oraz dopasować wielkość do pola graficznego. Do tego służą ikony, znajdujące się w pasku narzędzi, które przedstawiono podczas opisywania trybu wprowadzania danych. Jednakże, aby można było przeprowadzić jakąkolwiek zmianę stopnia wału musi być aktywna ikona. Dowolny stopień wału można usunąć. W tym celu lewym klawiszem myszy należy kliknąć na obrysie stopnia, który chcemy usunąć. Wówczas uaktywniamy ten stopień (zmienia kolor z zielonego na żółty). Następnie za pomocą ikony (Usuń stopień) możemy usunąć ten stopień. Może się zdarzyć po ukształtowaniu wału, że jest za mało stopni. Algorytm programu MechKonstruktor pozwala na wstawienie stopnia w dowolnym miejscu ukształtowanego wału. W tym celu należy lewym klawiszem myszy uaktywnić stopień wału (zmienić zielony kolor na żółty) przed którym chcemy wstawić stopień. Dopiero teraz za pomocą ikony (Dodaj/Wstaw stopień) możemy wstawić stopień. Podczas projektowania układów napędowych okazuje się jednak, że spełnienie warunków wytrzymałościowych wału często jest niewystarczające i nakłada się na projektowane wały dodatkowo warunki geometryczne. Kształtowanie wału z nałożonymi warunkami geometrycznymi jest skomplikowane, lecz staje się niezbędne, gdy na wale osadzone są koła: zębate, pasowe oraz łożyska. W związku z tym w programie można wyznaczyć minimalne średnice otrzymane z warunków geometrycznych tj.: dopuszczalny kąt skręcenia W wielu przypadkach o poprzecznych wymiarach wałów obciążonych głównie momentami skręcającymi decyduje wymóg zachowania odpowiedniej sztywności skrętnej. Średnicę wału d wyznacza się z zależności: d ł 32M s π Gγ dop Aby wygenerować w polu graficznym minimalną średnicę z warunku dopuszczalnego kąta skręcenia należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie (Minimalna średnica ze względu na dopuszczalny kąt skręcenia wału) dopuszczalny kąt zgięcia
Wyznaczenie średnicy wału zarówno z warunku dopuszczalnego kąta zgięcia wału jak i z warunku dopuszczalnej strzałki ugięcia wału opiera się o równanie różniczkowe ugięcia osi obojętnej: 2 d f ( x) EI = = 2 dx m( x) oraz o związek między strzałką ugięcia i kątem zgięcia df ( x) = Θ ( x) dx Kąt ugięcia wału ma wpływ na geometrię styku elementów tocznych z bieżniami, co decyduje o trwałości łożyska. Zatem podczas kształtowania wałka istotne jest, aby stopnie wałka, na których osadzone są łożyska, były większe niż te, wyznaczone z warunku dopuszczalnego kąta zgięcia. Aby wygenerować w polu graficznym minimalną średnicę z warunku dopuszczalnego kąta zgięcia należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie (Minimalna średnica ze względu na dopuszczalny kąt ugięcia wału) dopuszczalną strzałkę ugięcia Odpowiednio dobrana strzałka ugięcia wału w miejscach osadzenia kół zębatych zapewnia prawidłowe zazębienie współpracujących ze sobą kół oraz równomierny rozkład nacisków międzyzębnych. Aby wygenerować w polu graficznym minimalną średnicę z warunku dopuszczalnej strzałki ugięcia należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie (Minimalna średnica ze względu na dopuszczalną strzałkę ugięcia) Aby wygenerować w polu graficznym minimalną średnicę z warunku wytrzymałości na skręcanie należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie (Minimalna średnica ze względu na moment skręcający). Na rys.23 pokazano ukształtowany wał wraz z minimalnymi średnicami otrzymanymi na podstawie warunków: wytrzymałościowego i geometrycznych. Rys.23. Wał
Podobnie, jak w przypadku wykresów momentów, tak i dla minimalnych średnic wyznaczonych na podstawie warunków: wytrzymałościowego i geometrycznych można za pomocą suwaka odczytać ich wartości wzdłuż osi wału. Do tego celu służy ikona (Wartości średnic). 2.1. Dobór łożysk tocznych Po zakończeniu kształtowania wału przechodzi się do doboru łożysk tocznych. Program MechKonstruktor umożliwia dobór następujących łożysk tocznych: - kulkowe zwykłe; - kulkowe skośne jednorzędowe; - kulkowe skośne dwurzędowe; - kulkowe wahliwe; - stożkowe; - baryłkowe; - walcowe jednorzędowe. Działanie programu polega na przeglądaniu katalogu łożysk tocznych i wyszukiwaniu, z każdej grupy łożysk poprzecznych i poprzeczno-wzdłużnych, łożysk spełniających kryterium nośności dla żądanej średnicy wału d, tzn. że nośność dynamiczna C znalezionego łożyska jest większa lub równa nośności wymaganej C w, czyli: C C w. Wymaganą nośność dynamiczną (ruchową) C w wyznacza się z zależności: w z p C = F L gdzie: F z obciążenie zastępcze [dan] L trwałość łożyska [mln obr]; p wykładnik potęgowy, którego wartość wynosi: - dla łożysk kulkowych p=3; - dla łożysk wałeczkowych p=10/3. Obciążenie zastępcze Fz = X Fr + Y Fa w którym: F r poprzeczna składowa obciążenia; F a wzdłużna składowa obciążenia X współczynnik obciążenia poprzecznego; Y współczynnik obciążenia wzdłużnego. Trwałość łożyska L = gdzie: L h trwałość godzinowa [h] n prędkość obrotowa wału [obr/min]. 60 L 10 h 6 n Zatem nośność dynamiczna C w opisana jest zależnością: 60 L 10 p h ( ) 6 C = X F + Y F w r a n
Przy doborze łożysk pracujących w podwyższonych temperaturach, wymaganą nośność należy obliczać z zależności: C w ( ) X F + Y F 60 L n = r a p h 6 ft 10 Wpływ temperatury na pracę łożyska uwzględnia się za pomocą współczynnika f t. W przypadku, gdy chcemy uwzględnić zjawiska dynamiczne, wówczas przyjmujemy współczynnik nadwyżek dynamicznych f d. Zatem obciążenie zastępcze F z można zapisać: ( ) F = X F f + Y F z r d a W celu wywołania okna doboru łożysk tocznych, pokazane na rys.24, należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie trybie kształtowania wału. (Dobór łożysk) z paska narzędzi, który znajduje się w Rys.24. Okno: Dobór łożysk Okno to posiada dwie zakładki: Dane wejściowe i Łożyska. W zakładce: Dane wejściowe (rys.24) znajdują się następujące wielkości wejściowe: a) obciążenia działające na węzeł łożyskowy, tj. obciążenie poprzeczne F r i wzdłużne F a ; b) średnica czopa wału d, na którym osadzono łożysko; c) wymagana trwałość godzinowa łożyska L h ; d) temperatura pracy łożyska t; e) współczynnik nadwyżek dynamicznych f d. Obciążenie F r i F a oraz średnicę czopa d program przyjmuje z poprzednich wyliczeń wału (F r, F a ) oraz jego kształtowania (d). Pozostałe wielkości konstruktor musi ustalić sam. Trwałość L h przyjmuje się w granicach 500 200 000 h. Dla przyrządów rzadko używanych można przyjąć L h = 500 h. Trwałość L h = 200 000 h przyjmuje się dla maszyn o pracy ciągłej (24h/dobę) lub dla maszyn o wymaganym wielkim stopniu pewności pracy. Najczęściej przyjmuje się trwałość L h = 20 000 30 000 h. Wartości współczynnika wpływu temperatury f t są następujące: f t = 1 dla t 150 o C; f t = 0.98 dla t = 150 200 o C;
f t = 0.90 dla t = 200 250 o C; f t = 0.75 dla t = 250 300 o C; f t = 0.60 dla t > 300 o C. Współczynnik nadwyżek dynamicznych f d zależy od rodzaju silnika i urządzenia napędzanego oraz uwzględnia nadwyżki wynikające z rodzaju mechanizmu, w którym zastosowano łożyska. Wartości współczynnika f d podano w zakładce: Dane wejściowe. Po ustaleniu wielkości wejściowych można przejść do wyboru łożysk spełniających nasze wymagania. W tym celu należy otworzyć zakładkę: Łożyska, którą pokazano na rys.25. Rys.25. Okno zakładki: Łożyska Okno podzielone jest na dwa mniejsze. W lewym oknie znajdują się łożyska dla podpory stałej, a w prawym dla podpory ruchomej. Jeżeli po lewej stronie nazwy łożyska znajduje się znak + to znaczy, że tego rodzaju łożyska spełniają założone wcześniej wymagania. Klikając dwukrotnie lewym przyciskiem myszy na nazwie łożyska, które spełnia wymagania otrzymujemy listę oznaczeń łożysk w danej grupie (rys.25). Wyboru danego łożyska dokonujemy poprzez kliknięcie lewym klawiszem myszy na kwadraciku znajdującym się obok oznaczenia łożyska. Natomiast klikając dwukrotnie lewym klawiszem myszy na oznaczeniu łożyska otwieramy okno z rysunkiem łożyska, co pokazano na rys.26. W tym oknie można odczytać główne wymiary łożyska oraz jego zabudowy, co może być pomocne przy konstruowaniu węzła łożyskowego i sporządzaniu rysunku.
Rys.26. Okno z wymiarami łożyska Dobrane łożyska toczne można narysować, w postaci schematycznej, na tle zaprojektowanego wału (rys.27). Do tego celu służy ikona. Rys.27. Widok ukształtowanego wału wraz z dobranymi łożyskami tocznym Po wstawieniu łożysk, jeśli zajdzie taka potrzeba, można kształt wału skorygować, dopasowując go do dobranych łożysk. Sposób zmiany wymiarów poszczególnych stopni wału podano powyżej. Ostatecznie ukształtowany wał można wyeksportować w postaci rysunku wału do pliku w formacie.dxf, który może być odczytany przez programy graficzne, np.: przez program AutoCAD. W tym celu należy lewym klawiszem myszy kliknąć na ikonie (Exportuj rysunek) w pasku narzędzi. Podczas kształtowania wału w tym trybie można zmienić wielkość czcionek za pomocą ikony (Właściwości).
3. Tryb widoku W tym trybie można zobaczyć ugięcie zaprojektowanego wału oraz sprawdzić czy zachowany został warunek dopuszczalnej strzałki ugięcia f dop oraz kąta ugięcia wału Θ dop. Aby zobaczyć ugięcie wału należy kliknąć lewym klawiszem myszy na ikonie narzędzi, który pokazano na rys.28. z paska Rys.28. Pasek narzędzi w trybie widoku W celu precyzyjnego odczytania strzałki ugięcia f lub kąta ugięcia wału Θ dla wybranej jego długości oraz porównania z wartościami dopuszczalnymi(f dop, Θ dop ) należy wprowadzić okno z suwakiem oraz z tymi wartościami. Do tego służy ikona. Program podaje strzałki ugięcia f oraz kąty ugięcia Θ w dwóch płaszczyznach oraz ich wypadkowe. Również można odczytać dopuszczalną strzałkę ugięcia wału f dop w określonym jego miejscu, a także dopuszczalny kąt ugięcia wału Θ dop. Ikona służy do pokazania ukształtowanego wału w postaci trójwymiarowej.