Projektowanie - jest postępowaniem odnoszącym się do wielu dziedzin życia, dotyczyć może struktur materialnych np. maszyn, osiedli lub układów niematerialnych np. systemy finansowe.

Konstruowanie - jest rodzajem projektowania odnoszącym się do maszyn i urządzeń mechanicznych

Konstrukcją - nazywamy abstrakcyjny obraz maszyny ze wszystkimi jej cechami, który powstał w umyśle konstruktora i ta konstrukcja zapisana jest w postaci dokumentacji technicznej np. rysunek, obliczenia, opisy.

Maszyna - układ materialny złożony z połączonych ze sobą elementów wykonujący określony ruch, służący do wykonania pracy związanej z procesem wytwórczym lub przemianą energii, twór sztuczny niespotykany w naturze.

Rodzaje maszyn:

• Silniki - maszyna służąca do zamiany dowolnego rodzaju energii na pracę mechaniczną, np. parowe, spalinowe

• Maszyny robocze - maszyny za pomocą których dokonuje się zmiany stanu, kształtu lub położenia materiału

• Technologiczne - przetwarzanie surowców lub półfabrykatów na półprodukty lub produkt gotowy na obrabiarki

• Transportowe - przemieszczanie materiałów lub przedmiotów np. samochody

• Energetyczne - przetwarzanie jednej postaci energii w druga np. pompy, sprężarki

Maszyna składa się z elementów i zespołów.

Element wykonany jest z jednego kawałka lub kilku kawałków materiału połączonych ze sobą w sposób nierozłączny np. śruba, nit, wałek

Zespół składa się z pewnej liczby elementów połączonych w celu określonego zadania np. przekładnia, sprzęgło, hamulec

Cechami konstrukcji są wybrane wielkości charakteryzujące konstrukcję i późniejszy wytwór (maszyna)

• Geometryczne - określają kształt i wymiary konstrukcji i maszyny (także jej elementy i zespołów). Charakteryzują stan jego powierzchni (chropowatość) i dokładność wykonania (tolerancja)

• Materiałowe - charakteryzują strukturę wewnętrzną maszyny m.in.. ich skład chemiczny, strukturę zbioru cząstek (w tworzywach sztucznych). Opisują własności wytrzymałościowe materiałów

• Dynamiczne (obciążeniowe) - charakteryzują właściwości związane ze stanem obciążenia, a więc m.in. opisują skład sił działających na poszczególne zespoły i elementy maszyny oraz przedstawiają rozkład obciążeń

Komputerowe wspomaganie projektowania (CAD) - proces projektowania, w którym komputer z oprogramowaniem stanowi narzędzie projektanta na każdym etapie tworzenia konstrukcji. Istotnym elementem tego procesu jest odpowiedni podział zadań między projektantem a komputerem. Powinien on wyglądać następująco: komputer zapamiętuje w swej bazie danych całą dokumentację projektową, wykonuje pracochłonne obliczenia, poszukuje niezbędnych do projektowania informacji, generuje dokumentacje techniczną w postaci rysunków, opisów lub w postaci programów służących do sterowania pracą linii technologicznych. Projektant formułuje zadania, tworzy koncepcje korzystając z możliwości oferowanych mu przez CAD, ustala kryteria oceny, podejmuje decyzje. Zakres CAD wchodzą praktycznie wszystkie czynności związane z projektowaniem, od prac koncepcyjnych po proces podejmowania ostatecznych decyzji. Liczne programy aplikacyjne (np. do symulacji, optymalizacji lub obliczeń wytrzymałościowych) ułatwiają przeprowadzenie obliczeń i podjęcie decyzji. Podczas wykonywania obliczeń wykorzystuje się typowo komputerowe metody np. metoda elementów skończonych (MES). Istotną cechą CAD jest możliwość korzystania podczas procesu projektowania z informacji zgromadzonych w bazach danych. Bazy takie zawierają np. informacje dotyczące metod projektowania istniejących już rozwiązań konstrukcji, gromadzą zbiory rysunków powtarzalnych elementów i zespołów, norm, patentów i przepisów.

PASOWANIE - kojarząc otwór i wałek o jednakowych wymiarach nominalnych i określanych tolerancjach uzyskuje się pasowanie określające charakter współpracy tych dwóch części. W zależności od wartości i znaków odchyłek wyróżnia się:

• Pasowania luźne, w których zawsze występuje luz a więc części pasowane mogą się względem siebie swobodnie przemieszczać

• Pasowania mieszane, w których zależności od przyjętych odchyłek pomiędzy pasowanymi częściami może występować niewielki luz niewielki wcisk

• Pasowania ciasne, w których zawsze występuje wcisk a więc części pasowane nie mogą się przemieszczać względem siebie

Do ułatwienia doboru pasowań stosuje się pasowania wg zasady:

• Stałego otworu - polega na kojarzeniu otworu podstawowego H z dowolnie tolerowanym wałkiem

• Stałego wałka - polega na kojarzeniu wałka podstawowego h z dowolnie tolerowanym otworem

Przy doborze pasowań kierować się należy następującymi zaleceniami:

• W połączeniach ruchomych stosuje się pasowania luźne zapewniające możliwość przesuwania się lub obracania części względem siebie, natomiast przypadku elementów osadzonych na stałe w określonym położeniu należy stosować połączenia mieszane lub ciasne

• W połączeniach stałych ale często rozłączanych stosuje się pasowania o mniejszym wcisku niż przy połączeniach, w których nie przewiduje się rozłączania części.

• W produkcji wielkoseryjnej oraz gdy przewidujemy częstą wymianę części stosuje się pasowania o większe dokładności w celu uzyskania dużej zmienności części

• Przy doborze pasowań trzeba uwzględnić temperaturę do jakiej mogą się nagrzać części podczas pracy. Pasowania podane w normie ustalone są dla temp. +20stopni

Nowoczesne metody projektowania

Klasyczny model projektowania ma charakter zadaniowy, czyli konstruktor otrzymuje do wykonania określone zadania konstrukcyjne. Podczas większego zespołu konstrukcyjnego często zdarzają się sytuacje, że do rozwiązania kolejnego zadania można przejść dopiero po zakończenia poprzedniego. Powoduje to wydłużenie czasu potrzebnego do opracowania konstrukcji.

Nowoczesne metody projektowania łączą procesy opracowania konstrukcji, wytwarzania i późniejszej eksploatacji. Celem takiego działania zwanego projektowaniem zintegrowanym jest nie tylko skrócenie czasu powstawania maszyny, ale przede wszystkim zmniejszenie kosztów i zapewnienie wysokiej jakości a tym samym poprawienie konkurencyjności wyrobu na rynku np. projektowanie współbieżne. Charakteryzuje się ono systemowym podejściem do procesów projektowania, wytwarzania i eksploatacji wyrobu, akcentują znaczenie jakości, czasu i estetyki wyrobu w pełnym cyklu jego „życia”. Metoda ta w pełni wykorzystuje szansę jaka powstała dzięki rozwojowi metod CAD/CAM.

Warto zwrócić uwagę na odmienną filozofię działania w

• W tradycyjnym projektowaniu - celem jest opracowanie wytworu najlepszego pod względem technicznym (przy założonych kryteriach)

• Zintegrowanym projektowaniu - celem jest wypracowanie wytworu który w sposób optymalny zaspokoi potrzebę klienta

TOLERANCJE I PASOWANIE

Wymiary przedmiotu na rysunku noszą nazwę wymiarów nominalnych. W czasie procesu obróbki uzyskanie tych wymiarów jest prawie niemożliwe. Dlatego wymiary zwłaszcza części ze sobą współpracujących podaje się z pewną tolerancją w granicach której znajdować się powinien rzeczywisty wymiar przedmiotu.

TOLERANCJA (T) - różnica między wymiarami granicznymi górnym(B) i dolnym(A)

Odchyłka górna - różnica między górnym wymiarem granicznym (B) a wymiarem nominalnym (N)

Odchyłka dolna - różnica miedzy dolnym wymiarem granicznym (A) a wymiarem nominalnym (N)

Tolerancja jest zawsze dodatnia. Natomiast odchyłki mogą być dodatnie, gdy wymiar rzeczywisty jest większy od nominalnego lub ujemne gdy wymiar rzeczywisty jest mniejszy od nominalnego.

Tolerancje używane przez konstruktora są znormalizowane. Polskie normy są w tym zakresie zgodne z międzynarodowym układem ISO. Normy przewidują 20 klas dokładności oznaczonych 0, 1 ; 0; 1 …18. Najdokładniejsza jest klasa 01 a najmniej dokładna 18.

Natomiast położenie pola tolerancji względem linii wymiaru nominalnego oznacza się literami, przy czym małe litery stosuje się do wymiarów zewnętrznych a duże do wymiarów wewnętrznych.

Wałki i otwory oznaczone literami wymiarów H, h nazywa się podstawowymi, bo pola tolerancji w tym przypadku przylegają do linii zerowej i wchodzą zawsze w głąb materiału. Pełne oznaczenie tolerancji wałka lub otworu zawiera wymiar nominalny, symbol literowy położenia, pola tolerancji oraz cyfrowy symbol klasy dokładności.

POŁĄCZENIA

Połączenia w budowie maszyn:

• Nierozłączne - przy ich rozłączaniu jeden z elementów zostaje uszkodzony, np.: lutowane, spawane, zgrzewane, nitowe

• Rozłączne - można dowolną ilość razy rozłączać i łączyć bez szkody dla jakości połączenia, np. śrubowe, wpustowe, kołkowe

POŁĄCZENIA NIEROZŁĄCZNE

Lutowane

Lutowanie polega na łączeniu metali za pomocą metalu dodatkowego zwanego lutem. Taki lut jest stopem metali nieżelaznych temp. Topnienia części łączonych

Roztopiony lut łączy się z materiałem części łączonych dzięki zjawisku kohezji (spójności międzycząsteczkowej) i dyfuzji (przenikanie w głąb materiału), która jest możliwa, kiedy metaliczne powierzchnie są czyste.

Dla uzyskania takiej czystości powierzchni i jej ochrony przed utlenieniem stosuje się topniki: kalafonia, boraks, których zadaniem jest między innymi ostateczne oczyszczenie powierzchni z tlenków i ich odtłuszczenie.

Połączenia lutowane powinny być tak zaprojektowane, aby występowały w nich naprężenia ścinające, gdyż wytrzymałość na ściąganie i rozciąganie jest niewielka

Luty dzielą się na:

• Luty miękkie o temp. Topnienia poniżej 450^C

• Luty twarde o temp. Topnienia powyżej 450^C

Luty miękkie są stopami cyny (której zawartość wynosi od 1,3 do 96%), antymonu ( od 0,2 do 6%) i ołowiu (reszta). Temperatura topnienia od około 180-325^C (zależne od składu). Do połączeń części wykonanych z materiałów o niskiej temperaturze topnienia stosuje się tzw. Luty niskotopliwe o temp. Topnienia od 60-150^C np. stop Woda o składzie chem: Bi-50%, Pb-25%, Sn-12,5%, Cd-12,5%, temp topnienia 60^C

Luty twarde są stopami miedzi z cynkiem i innymi składnikami. Najczęściej spotykanymi lutami są stopy miedzi o temp topnienia od 700-1000^C, nadają się do łączenia prawie wszystkich metali. Do lutów twardych zalicza się także luty srebrne będące stopami srebra, miedzi i cynku. Mają one niższą temp topnienia od 600-860^C, natomiast wyższą wytrzymałość od lutów miedzianych.

Spawane

Połączenie spawane powstaje w wyniku nadtopienia materiału łączonych części i najczęściej wprowadzenia stopionego metalu dodatkowego (spoiwa) w miejsce łączenia. Materiały te po ostygnięciu tworzą spoinę wiążącą części w jedną całość. Spoiwem jest topliwa elektroda lub drut spawalniczy. W prawidłowo wykonanej spoinie następuje wymieszanie się stopionych materiałów na głębokość od 1,5-3mm. Do spawania potrzebne jest źródło ciepła o dużym natężeniu umożliwiające uzyskanie wysokiej temperatury niezbędnej do szybkiego stopienia metalu.

W zależności od zastosowanego źródła ciepła rozróżnia się spawania:

• Gazowe - np. acetylenowo-tlenowe stosowane przeważnie do łączenia cienkich blach stalowych, elementów żeliwnych, metali nieżelaznych oraz stopów różniących się znacznie składem

• Łukowe - stosowane najczęściej m.in. ze względu na szybkie nagrzewanie części obejmujące mniejsza powierzchnię niż przy spawaniu gazowym; źródłem ciepła jest tu łuk elektryczny powstający między elektrodą a łączonym elementem, temperatura łuku 4000^C

• Atomowe - umożliwiające spawania elementów ze stali wysokostopowych, żaroodpornych oraz napawanie części stopami twardymi np. uszkodzonych narzędzi skrawających

• Elektronowe - umożliwia łączenie materiałów różnych właściwościach np. aluminium ze srebrem, miedzi ze stalą i o różnych grubościach

• Laserowe - źródłem ciepła jest energia promienia światła laserowego, nie ogrzewa całej powierzchni

• Plazmowe - ogólną zaletą jest możliwość łączenia elementów cienkich np. folii metalowej o grubości 0,01mm

• Spawanie tworzyw termoplastycznych za pomocą strumienia gorącego powietrza.

Znajdują szerokie zastosowanie gdyż są tanie, proste oraz umożliwiają osiągnięcie znacznych oszczędności w porównaniu z innymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, np. w porównaniu z konstrukcjami nitowanymi oszczędności materiałowe sięgają 20%, konstrukcje spawane więc są lżejsze. Ponadto spawanie jest procesem miej pracochłonnym od nitowania. W zależności od przeznaczenia połączeń spawanych wyróżnia się następujące rodzaje spoin:

• Mocne - przenoszące duże obciążenia

• Szczelne - zapewniające szczelność połączeń a w przypadku zbiorników ciśnieniowych także przenoszenia znacznych obciążeń

• Złączne - łączenie elementów nieznacznie obciążonych oraz do wstępnego ustalania części w połączeniach mocnych i szczelnych

Ze względu na kształt spoin oraz ich połączenie w stosunku do łączonych elementów rozróżnia się: czołowe, pachwinowe, otworowe, punktowe, zbieżne.

SPOINY

• Czołowe

• Pachwinowe

Nie wszystkie materiały można spawać. Dobrze spawają się stale o zawartości węgla do 0,25%. W miarę wzrostu zawartości węgla spawalność maleje. Do materiałów trudno spawalnych zalicza się też stale wysokostopowe, żeliwo szare, stopy miedzi i aluminium. Nierównomierny rozkład temperatury w częściach łączonych powoduje, że podczas stygnięcia spoin przedmioty odkształcają się a nawet mogą wystąpić pęknięcia w pobliżu spoin. Zmiana kształtu i wymiaru przedmiotu spawanego, wywołanego skurczem spoin, nazywamy odkształceniem spawalniczym. Odkształcenia te mogą wystąpić nawet po dłuższym czasie, np. dopiero po obróbce mechanicznej lub cieplnej wykonanych połączeń. Aby ich uniknąć należy m.in.:

• W miarę możliwości stosować spoiny czołowe

• Syntetycznie rozmieszczać spoiny

• Unikać krzyżowania spoin

• Unikać zbyt długich spoin

• Ograniczać liczby i wymiary spoin do niezbędnego m.in. wynikającego z obliczeń wytrzymałościowych

• Nie umieszczać spoin w pobliżu miejsc gdzie występują sprężenia naprężeń.

Obliczenia wytrzymałościowe połączeń spawanych polegają na obliczeniu wytrzymałości spoiny będącej najsłabszym miejscem połączeń

Naprężenia dopuszczalne dla spoiny wyznacza się z zależności: k'=z*k

Zgrzewane

Zgrzewanie polega na doprowadzeniu powierzchni części łączonych do stanu ciastowatego i dociśnięciu ich w miejscu styku. W zależności od sposobu nagrzewania elementów łączonych rozróżnia się:

• Elektryczne oporowe

• Gazowe

• Termitowe - spalanie mieszaniny tlenków metali i sproszkowanego aluminium

• Tarciowe - ciepło wytwarza się w wyniku tarcia dociśniętych elementów

• Ogniskowe

Najbardziej rozpowszechnione jest elektryczne zgrzewanie oporowe które ze względu na sposób powstawania zgrzeiny dzieli się na: punktowe, liniowe, czołowe, garbowe. Zgrzewać można metale i ich stopy, tworzywa sztuczne a także metale z niemetalami np. szkło z aluminium. W praktyce najczęściej blachy o niewielkiej grubości.

Zgrzewanie punktowe

Części zgrzewane zostają dociśnięte elektrodami zgrzewarki przez które przepływa prąd. Materiał oporowo nagrzewa się do temp. Zgrzewania. Ilość wydzielonego ciepła wynosi: Q=I²^R^t (stosuje się możliwie duże naprężenia przy małych napięciach prądu)

Odmianą zgrzewania punktowego jest zgrzewanie garbowe. Garby mają najczęściej kształt czaszy kulistej i służą m.in. do usztywnienia cienkich blach. Podczas procesu zgrzewania elektrody płaskie dociskają łączone części powodując miejscowe nagrzewanie blach w miejscu styku, czyli na garbach i uzyskanie zgrzein punktowych. Garby powinny być na tyle sztywne by nie uległy całkowitemu zgnieceniu,. Zgrzewanie punktowe stosuje się także przy łączeniu blach o różnej grubości

Zgrzewanie czołowe jest procesem, w którym zgrzeina obejmuje całe pole powierzchni styków łączonych elementów. Stosuje je się m.in. do czołowego łączenia prętów oraz częściej do łączenia części skrawającej narzędzia wykonanej ze stali narzędziowej z trzonem ze stali niestopowej.

Połączenia zgrzewane powinny pracować tylko na ścinanie, niedopuszczalne jest projektowanie rozciąganych połączeń zgrzewanych

Naprężenia dopuszczalne oblicza się tak samo jak dla połączeń spawanych. Jeżeli zgrzewany materiał o różnych własnościach wytrzymałościowych jako podstawę do obliczenia naprężeń dopuszczalnych przyjmuje się naprężania materiału słabszego.

Klejone

Technologia klejenia jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną w budowie maszyn.

Proces klejenia polega na:

1. polega na oczyszczeniu powierzchni klejonych

• mechaniczny np. szczotka

• chemiczny np. rozpuszczalnik

2. nałożenie warstwy kleju

3. utwardzenie klejów w odpowiedniej temperaturze z zapewnieniem właściwego docisku elementów łączonych

Klejenie umożliwia łączenie prawie wszystkich materiałów. materiałów niektórych przypadkach będąc praktycznie jedynym sposobem dokonania połączenia. Do najczęściej stosowanych w budowie maszyn zalicza się kleje:

• epoksydowe - łączą metale, szkło, ceramikę i niektóre tworzywa sztuczne oraz uszczelniają elementy np. pęknięte

• fenolowe - łączenie metali, szkła, drewna oraz termoutwardzalne tworzywa sztuczne

• winylowe - łączenie metali z ceramiką, drewnem, szkłem i tworzywami sztucznymi

• kauczukowe - łączenie gumy ze stalą lub innymi metalami

Połączenia klejowe charakteryzują się małą odpornością na odrywanie, dlatego powinny być projektowane w taki sposób, aby skleina była ścinana lub ściskana, a nie odrywana bądź rozciągana.

Zalety klejenia

• warstwa kleju nie wywołuje naprężeń we materiale części łączonych i nie osłabia ich

• mały ciężar połączenia

• możliwość połączenia gładkich powierzchni

• połączenia klejone są odporne na korozję

• zdolność tłumienia drgań

• klej może spełniać rolę uszczelki

Wady klejenia

• możliwość rozwarstwiania połączeń pod wpływem obciążeń

• mała odporność większości klejów na zmiany temperatury

• długi czas utwardzania większości klejów

• konieczność stosowania docisków w większości przypadków

• spadek wytrzymałości połączeń z upływem czasu (starzenie się kleju)

POŁĄCZENIA ZAWALCOWYWANE I ZAGINANE

Połączenia elementów przez trwałe odkształcenia - są to połączenia wykonane za pomocą zawinięcia brzegów oraz przez zagniecenie lub zawalcowanie a także połączenia za pomocą łapek.

Połączenia przez zawinięcie brzegów stosuje się do łączenia blach cienkich, nie są połączeniami szczelnymi

Połączenia przez zawalcowanie stosuje się do łączenia rur lub prętów z rurami. Wykonuje się przez wsunięcie w rurę drugiej rury lub pręta o średnicy zewn. Równej średnicy wewn, pierwszej rury i zawalcowanie na nich karbu.

Karby mogą być: wewnętrzne i zewnętrzne

Połączenie za pomocą łapek polega na wycięciu z jednej części łączonych łapek i wprowadzenie ich do otworów wyciętych w drugiej części, następnie łapki odkształca się w celu uzyskania wytrwałego połączenia.

Te 3 połączenia są bardzo proste i tanie i mogą być stosowane przy produkcji masowej. Są jednak słabe i nie nadają się do przenoszenia większych sił. Poza tym są nieestetyczne i mogą powodować kaleczenie rak. Z tego powodu stosuje się je raczej w połączeniach wewnętrznych

NITOWE

Połączenie nitowe powstaje, gdy do współosiowego otworu wykonanego w częściach łączonych wsuwa się, a następnie zakuwa łącznik zwany nitem.

1. zakównik

2. zakówka

3. trzon (szyjka)

4. łeb

5. wspornik

Łączenie elementów przy pomocy nitów nazywa się nitowaniem pośrednim, kiedy natomiast rozkuwa się bezpośrednio element łączony mamy do czynienia z nitowaniem bezpośrednim

Połączenia przez rozwalcowanie nawiercanego trzpienia

• przed zamknięciem

• po zamknięciu

Nity są znormalizowane, rozróżnia się je wg:

• kształtu łba (kulisty, płaski, stożkowy)

• średnicy trzonu (normalne>10cm, mniejsze to tzw. nity drobne)

• przekroju trzonu (pełny, drążony, rurkowy)

W zależności od średnicy nitów i wielkości produkcji zamykanie nitów odbywa się uderzeniowo lub naciskowo przy pomocy pras (mechanicznych, hydraulicznych)

Nity wykonywane są z materiałów plastycznych:

• stali o niewielkiej zawartości SE3N lub SE4N

• miedzi i jej stopów

• aluminium

Nity stalowe o średnicy trzona (wymiar co najmniej 10mm) zamyka się na gorąco. Nit powinien być rozgrzany do temperatury 1000-1100^C - przy nitowaniu uderzeniowym; 700^C - przy maszynowym nitowaniu naciskowym. Otwory w częściach łączonych wykonuje się wówczas średnicy większej o 1mm od średnicy trzonu nitu. Nity drobne zamyka się zwykle na zimno.

Otwór w elemencie łączonym winien być większy od średnicy nitu o 0,1-0,2mm.

Połączenia nitowe za pomocą kilku nitów nazywamy szwem nitowym .

Podczas stygnięcia nity kurczą się powodując docisk elementów łączonych, jednocześnie pomiędzy otworami w blachach, a trzonem nitu powstają niewielkie luzy.

Po obciążeniu złącza siła P powstaje pomiędzy blachami siła tarcia przenosząca całe obciążenie. Jeżeli wielkość obciążenia przekracza wartość siły tarcia - wystąpi poślizg w ramach wspomnianego wyżej luzu poprzecznego. Obciążenie jest wtedy przenoszone częściowo przez nity, które są narażone na docisk powierzchniowy oraz ścinanie

przenoszenie obciążeń przez nit

Obliczanie połączeń nitowych

Połączenie nitowe może ulec zniszczeniu poprzez:

• zerwanie blach wzdłuż osi rzędu nitowego

• ścięcia nitów

• Zniekształcenia otworów nitowych lub nitów w blaszce z powodu zbyt dużego nacisku na ściany otworów.

Należy uwzględnić wszystkie 3 warunki wytrzymałościowe, a więc sprawdzamy:

• Czy nie zostały przekroczone dopuszczalne naprężenia rozciągające dla materiałów części łączonych

• Czy nie zostały przekroczone dopuszczalne naprężenia ścinające dla materiałów nitów

• Czy nie zostały przekroczone dopuszczalne naciski dla materiałów nitów i elementów łączonych

Ponieważ ze względów ekonomicznych mniejsze straty występują wówczas, gdy na skutek nadmiernych obciążeń zniszczone zostaną nity a nie elementy łączone, połączenia należy tak projektować, aby wytrzymałość nitów na ścianie była mniejsza od wytrzymałości blach na naciski powierzchniowe.

Aby tak się stało musi być spełniona nierówność:

d₀/g <= 3,2/m

POŁĄCZENIA KSZTAŁTOWE

Połączenia wpustowe - służą do osadzania na wale różnych części maszyn, np. kół zębatych, pasowych. Ich zasadniczym zadaniem jest przenoszenie momentu obrotowego z wału na współpracującą część lub odwrotnie. W wale i w piaście elementu łączonego wykonane są odpowiednie rowki, w które wkładamy wpust. Rozróżnia się:

• Wpusty pryzmatyczne - najczęściej stosowane o przekroju prostokąta

• Wpust czopkowy na końcu ma wystający okrągły czop, jest do łączenia

• Wpusty czółenkowe

Wpusty można stosować na wałkach i stożkach. W połączeniach spoczynkowych spusty osadza się ciasno. W połączeniach przesuwnych pasowanie ciasne stosuje się tylko między wpustem a czopem wału, natomiast między wpustem a rowkiem przyjmuje się pasowania luźne.

Do ułatwienia montażu suma wysokości obu rowków powinna być większa od wysokości wpustu.

Wał i osadzone na nim elementy powinny być dokładnie osiowane tzn. powinny mieć wspólną oś obrotu.

Połączenia wielowpustowe

W tego rodzaju połączeniach wpust zastąpiono występami wprost na czopie wału, które współpracują z odpowiednimi rowkami w piaście. Połączenia te umożliwiają uzyskanie mniejszych nacisków jednostkowych w porównaniu z połączeniami wpustowymi, tym samym pozwalają na przenoszenie większych obciążeń na takiej samej długości połączenia. Umożliwiają one dokładne osiowanie i zmniejszanie w porównaniu do połączeń wpustowych oporów tarcia w połączeniach przesuwnych. Aby w pełni wykorzystać zalety połączeń wielowpustowych konieczne jest zachowanie dużej dokładności kształtu i podziałki wpustu oraz małych odchyłek równoległości bocznych ;powierzchni wpustów i rowków.

Dla zabezpieczenia przed deformacją rowków pod wpływem nacisku, a tym samym przed uszkodzeniem wału lub piasty, wpusty wykonuje się z materiału o mniejszej wytrzymałości niż wytrzymałość materiałów części łączonych. Takie wpusty robi się ze stali węglowej. Wszystkie wpusty są znormalizowane.

Dobór wpustów

• Wymiary poprzeczne wpustów pryzmatycznych b*h dobiera się z normy w zależności od średnicy wału

• Obliczanie długości wpustu

M - moment skręcający

F - siła (toczna/poprzeczna)

L₀ - czynna długość wpustu

P_dop - dostarczane naciski

H - przybliżona wartość wysokości wpustu

n - liczba wpustów przenoszących moment

Obliczenia połączeń wielowpustowych

Wielkość wielowpustu dobiera się z norm w zależności od średnicy wałka. Podobnie jak w przypadku połączenia wielowpustowego oblicza się długość połączenia biorąc pod uwagę dopuszczalne naciski na boczne powierzchnie wypustów i rowków

P - siła działająca w połowie wysokości wpustów

M - moment skręcający

D_śr - średnia średnica wielowypustu

H₀ - wysokość styku z piastą

n - liczba wypustów

P_dop - dopuszczalny nacisk na powierzchnię boczna

L₀ - długość wielowypustu

Nawet przy dokładnym wykonaniu wypustów i rowków różnice ich wykonania mieszczące się w granicach tolerancji powodują, że nie wszystkie wypusty jednocześnie przenoszą obciążenie. Dlatego do obliczeń przyjmuje się, że obciążenie przenosi tylko 75% powierzchni współpracujących

POŁĄCZENIA KOŁKOWE

Kołki - elementy w kształcie walca lub stożka o dość dużej długości w stosunku do ich średnicy

Zależności od funkcji jakie pełnią kołki dzielą się na :

• Złączne - przenoszą siły tnące działające w płaszczyźnie prostopadłej do ich osi

• Ustalające - służą do wzajemnego ustalenia dwóch elementów

Połączenie kołkowe - czopowe podłużne

Połączenie kołkowe - czopowe poprzeczne

POŁĄCZENIA SWORZNIOWE

Sworzniami nazywamy grubsze kołki walcowe, zabezpieczone przed wysunięciem złączonych części

Wielkości wypustów są znormalizowane i najczęściej stosuje się wpusty prostokątne. Ponadto występują wypusty ewolwentowe wielokartowe.

POŁĄCZENIA GWINTOWE

Są połączeniami kształtowymi rozłącznymi najczęściej stosowanymi w budowie maszyn. Zasadniczym elementem takiego połączenia jest łącznik - składający się ze śruby lub wkrętu (z gwintem zewnętrznym) oraz nakrętki z gwintem wewnętrznym.

Podstawowym pojęciem z powstawaniem gwintu jest linia śrubowa. Powstaje ona przez nawinięcie na walec (ewentualnie na stożek) linii prostej stanowiącej przeciwprostokątna trójkąta prostokątnego. Rozróżnia się linię śrubową

• Prawą - jest linią która oglądana wzdłuż linii osi śrubowej oddala się od obserwatora w wyniku ruchu obrotowego zgodnie z ruchem wskazówek zegara

• Lewa

Linia śrubowa dwu- lub trzykrotna powstaje przez nawinięcie na walec dwóch lub trzech linii o tym samym nachyleniu, przesuniętych odpowiednio o 180^ lub 120^ na obwodzie walca

Gwint powstaje przez wycięcie brust o określonym kształcie wzdłuż linii śrubowej. Podobnie jak linia śrubowa gwinty mogą być: prawe (powszechnie stosowane), lewe, jednokrotne, wielokrotne.

Nacięte bruzdy obserwowane w płaszczyźnie przechodzącej przez oś walca tworzą zarys gwintu. W zależności od zarysu rozróżnia się gwinty:

• Trójkątne

• Trapezowe symetryczne

• Trapezowe niesymetryczne

• Prostokątne

• Okrągłe

W połączeniach gwintowych powszechnie stosuje się jednokrotne gwinty o zarysie trójkątnym, głównie gwinty metryczne. Zaletami takiego gwintu są:

• Duża wytrzymałość

• Samohamowność

• Mała wrażliwość na niedokładność wykonania

Są one znormalizowane. Dzielą się na zwykłe i drobne.

Łączniki z gwintami zwykłymi stosuje się przy połączeniach niezbyt dokładnych produkowanych seryjnie.

Gwinty drobne mają mniejszą podziałkę niż gwinty zwykłe o tej samej średnicy.

Ze względu na mniejszą głębokość gwintu zwiększa się średnica rdzenia śruby.

Odmianą gwintu o zarysie trójkątnym jest gwint rurowy. Jest to gwint calowy, drobnozwojny przeznaczony głównie do łączenia przewodów rurowych. O ile w gwincie metrycznym kąt alfa=60^ to w rurowym 55^

Gwinty trapezowe symetryczne i niesymetryczne stosowane są w mechanizmach śrubowych. Charakteryzują się one dużą wytrzymałością oraz wysoką sprawnością. Mogą być samohamowne lub nie. Są znormalizowane.

Gwinty prostokątne są nieznormalizowane. Rzadko stosowane, gdyż ich funkcje mogą z powodzeniem spełniać gwinty trapezowe łatwiejsze do wykonania.

Gwint okrągły charakteryzuje się dużą wytrzymałością zwłaszcza przy obciążeniach udarowych. Odmianą tego gwintu jest gwint Edissona (stosowany w żarówkach)

Oznaczenia gwintów

• Metryczny M (d)

• Metryczny drobnozwojowy M (d*P)

• Trapezowy symetryczny Tr (d*P)

• Trapezowy niesymetryczny S (d*P)

• Rurowy G (d)

• Okrągły RD (d)

d -średnica

P - skok

G - wartość w calach

Specjalnym rodzajem gwintu są gwinty toczne, w których między śrubą a nakrętką wprowadzone są kulki przetaczające się po powierzchniach roboczych gwintów. Średnice i skoki tych gwintów są znormalizowane. Kulki toczą się w zamkniętym obiegu z kanałem zwrotnym. Śruby takie, o wysokiej sięgające 95% sprawności, stosowane są w mechanizmach śrubowych.

Łączniki gwintowe

Do zmontowanych łączników gwintowych należą:

• Śruby

• Wkręty

• Nakrętki

Śrubami nazywamy łączniki z gwintem zewnętrznym zakończone łbami o różnych kształtach najczęściej sześciokątnych. Dokręca się je kluczami natomiast wkręty mają nacięty na łbie rowek służący do dokręcania wkrętakiem. Śruby i wkręty mogą mieć gwint nacięty na całej długości trzpienia lub tylko na jego części. Zarówno śruby jak i wkręty są znormalizowane.

Nakrętki czyli elementy z gwintem wewnętrznym współpracują ze śrubami i wkrętami

Ważne uzupełnienie łączników gwintowych stanowią podkładki

Podkładki okrągłe stosuje się m.in. przy łączeniu elementów materiałów kruchych lub miękkich oraz w przypadku gdy średnica otworu jest wyraźnie większa od średnicy trzpienia śruby. Dla zabezpieczenia śrub przed zginaniem stosuje się zespół podkładek kulistych lub podkładki klinowe

Podkładki sprężyste zabezpieczają przed odkręceniem się nakrętek.

W przypadku gdy połączenie gwintowe narażone jest na obciążenia zmienne, wstrząsy lub drgania należy zabezpieczyć je przed odkręceniem. Do powszechnie stosowanych sposób ów należy użyć:

• Podkładek sprężystych

• Nakrętek koronowych (otwór pod zawleczkę wykonuje się po zamontowaniu połączenia)

• Przeciw nakrętek

OBLICZANIE WYTRZYMAŁOŚCI ŁĄCZNIKÓW GWINTOWYCH

Zniszczenie spoczynkowego połączenia gwintowego może nastąpić na skutek

• Przekroczenia nacisków dopuszczalnych na

• powierzchniach gwintów

• Ścięcia zarysu gwintu

• Przekroczenia dopuszczalnych nacisków rozciągających rdzeniu śruby

Dla gwintu najbardziej niebezpieczne są naciski, ponieważ pod ich wpływem następuje ścieranie się powierzchni gwintu śruby i nakrętki podczas dokręcania i odkręcania. W związku z tym w obliczeniach wytrzymałości gwintu przyjmuje się niewielkie wartości naprężeń dopuszczalnych

• W połączeniach spoczynkowych dokręcanych tylko przy montażu k₀=0,3k_c

• W połączeniach spoczynkowych często dokręcanych i odkręcanych k₀=0,2k_c

Jeszcze mniejsze wartości stosuje się w połączeniach ruchowych. Z warunku na naciski powierzchniowe możemy obliczyć wysokość nakrętki. W znormalizowanych łącznikach przyjęto wysokość nakrętek zwykłych h=0,8d. Można udowodnić że dla tej wysokości nakrętek gwint może przenieść większe obciążenie od rdzenia śruby. Dlatego połączeniu spoczynkowym z gwintem metrycznym nie oblicza się wysokości nakrętek tylko średnicę rdzenia śruby. Wysokość nakrętek obliczana w mechanizmach śrubowych czyli w przypadku wykonania śruby i nakrętki z różnych materiałów. Obliczanie wytrzymałości śruby polega na wyznaczeniu średnicy jej rdzenia z warunków wytrzymałościowych następnie dobraniu z norm odpowiednich wymiarów gwintów średnicy rdzenia większej od wynikającej z obliczeń.

ELEMENTY SPRĘŻYSTE

Sprężynami nazywamy łączniki sprężyste wykonane z materiałów o niewielkiej odkształcalności, których dużą podatność uzyskano dzięki specjalnemu ich ukształtowaniu. Sprężyny mają różne zastosowanie:

• Nagromadzenie energii w celach napędowych np. Zabawki, zegarki

• Łagodzenie uderzeń, wstrząsów np. resory samochodowe, zderzaki

• Dociskanie elementu konstrukcji w czasie jego pracy np. sprężyny zaworowe

• Pobudzanie lub łagodzenie drgań w różnego rodzaju urządzeniach wibracyjnych

• Do mierzenia siły np. dynamometry sprężynowe

Sprężyna pod wpływem działania siły odkształca się przy czym istnieje określona zależność między siłą a odkształceniem charakterystyczna dla danej sprężyny. Zależność tę nazywamy wykresem sprężyny i dla większości sprężyn zależność ta jest liniowa

Sprężyna obciążona magazynuje energię, podczas odciążenia energię oddaje. Na skutek tarcia wewnętrznego w metalu oraz tarcia zewnętrznego pomiędzy elementami współpracującymi ze sprężyną energia dodawana przy odciążeniu jest mniejsza od pobieranej przy obciążeniu. Różnica energii zostaje zamieniona na tarcie i rozproszona. Zjawisko to nosi nazwę histerezy

Sprężyny, które mają tłumić drgania powinny mieć dużą pętlę histerezy natomiast sprężyny napędowe powinny mieć tą pętlę małą. Zwykle sprężyna zastosowana w konstrukcji przed poddaniem jej obciążeniu roboczemu jest odkształcona wstępnie i w związku z tym wywiera pewną siłę na otoczenie

Pole zakreskowane przedstawia wielkość energii, która jest magazynowana w sprężynie. Energia ta jest proporcjonalna do kwadratu naprężenia panującego w sprężynie i dlatego dla uzyskania jak najmniejszych wymiarów sprężyny zdolnej do wykonania swoich zadań dopuszcza się wysokie naprężenia w sprężynie.

Sprężyny wykonuje się z materiałów wysokiej granicy plastyczności a więc ze stali węglowej wyższej jakości o bardzo dużej zawartości węgla oraz ze stali stopowych.

Sprężyny mają różnorodne kształty

• Sprężyny wykonujące pracę przez rozciąganie i ściskanie wykonuje się najczęściej jako sprężyny śrubowe. Wytwarza się je przez nawinięcie drutu na powierzchni walcowej lub stożkowej

• Sprężyna spiralna jest typową sprężyna napędową

• Sprężyna płytkowa, talerzowa, membranowa

GUMOWE ŁĄCZNIKI SPRĘŻYSTE

Charakterystyczne cechy gumy:

• Duża podatność

• Mały ciężąr właściwy

• Mała wytrzymałość

• Duża zdolność akumulowania energii

• Wrażliwość na temperaturę (od -30 do 60^C)

• Duże tarcie wewnętrzne co przejawia się w postaci szerokiej pętli histerezy

• Ma duże zdolności do tłumienia drgań

• Odporność na działanie kwasów i zasad

• Jest mało odporna na działanie olejów i benzyn

• Łatwość łączenia z metalami przez wulkanizowanie

Najprostszy gumowy element podatny, stanowi płytka lub tulejka gumowa zwulkanizowana pomiędzy dwiema płytkami lub tulejkami metalowymi. Elementy gumowe mają na ogół charakterystykę nieliniową

TERMOBIMETALE

Są to elementy w postaci taśm lub płytek złożonych z dwóch warstw metali o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej połączonych ze sobą przez zgrzewanie lub zlutowanie na całej powierzchni. Pod wpływem zmian temp materiał o większym współczynniku rozszerzalności cieplnej (tzw. Warstwa czynna) odkształca się bardzie niż materiał o mniejszym współczynniku tzw. warstwa bierna.

Przy wzroście temp element wykonany z termobimetalu wygina się w kierunku warstwy biernej, zaś przy jej obniżaniu w kierunku warstwy czynnej

Termobimetale użytkowane są w zakresie temperatur w którym nie występuje odkształcenie trwałe.

OSIE I WAŁY

Osią lub wałem nazywamy element umocowany najczęściej w łożyskach, na którym osadzone są części wykonujące wraz z wałem ruch obrotowy lub wahadłowy.

Wałem nazywamy element, którego głównym zadaniem jest przenoszenie momentu obrotowego. Jest więc on skręcany, przy czym może być jednocześnie zginany oraz ściskany lub rozciągany.

Oś - nie przenosi momentu obrotowego, może być zginana, ściskana lub rozciągana. Służy do utrzymywania w danym położeniu innych elementów maszyny i przenoszenia obciążeń na łożyska (przy osiach obracających się) lub podpory (przy osiach nieruchomych).

Odcinki wałów i osi, na których osadzone są inne elementy (łożyska, koła zębate itp.) nazywane są czopami.

Wały mogą mieć bardzo różną konstrukcje. Mogą być:

• Gładkie lub kształtowe np. wał korbowy

• Pełne lub drążone

• Całkowite lub składane

• Sztywne lub giętkie

Obliczenia wytrzymałościowe osi i wałów

Aby prawidłowo dobrać wymiary osi i wału należy najpierw określić kierunki działania i wartości obciążeń wewnętrznych o reakcji w podporach.

Znać również trzeba rodzaj zmienności obciążeń, gdyż od tego zależy wartość przyjmowanych naprężeń dopuszczalnych.

W osiach ruchomych najczęściej występuje zginanie obustronnie zmienne.

Warunek wytrzymałości dla osi o przekroju okrągłym

Mg - moment gnący w rozpatrywanym przekroju

W_x - wskaźnik wytrzymałości

d - średnica osi

Bardziej skomplikowany stan naprężeń występuje w wałach które są zginane i skręcane. W przekrojach niebezpiecznych (np. w miejscach działanie obciążeń zewnętrznych, zmiany średnicy wału) wyznacza się działający tam moment zastępczy, którego wartość wynosi

M_s - moment skręcający

a - współczynnik przeliczeniowy obciążeń stycznych na normalne

Średnica wału w danym przekroju

Sztywność wału

Po dokonaniu obliczeń wytrzymałościowych wału należy sprawdzić jego sztywność. Rozróżniamy sztywność

• Statyczna - właściwość wału określająca jego odporność na odkształcenie pod wpływem działających nań sił statycznych. Siłami takimi są: ciężary osadzonych na wale elementów oraz siły pochodzące od elementów współpracujących. Sprawdzenie sztywności statycznej polega na obliczeniu maksymalnego ugięcia ( strzałki ugięcia) i sprawdzeniu czy nie przekracza ono wartości dopuszczalnych dla danego typu maszyn

• Dynamiczna - właściwość wału określająca jego odporność na odkształcenia w warunkach ruchu. W pewnych warunkach odkształcenia te - spowodowane działaniem bezwładnościowych sił odśrodkowych - mogą nie tylko doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnych naprężeń zginających, ale nawet doprowadzić do zniszczenia maszyny.

Prędkość obrotowa wału przy której może nastąpić to zjawisko nazywamy krytyczną prędkością obrotowa, wyznaczamy drogą obliczeniową.

Wał powinien być tak zaprojektowany aby jego znamionowa prędkość obrotowa była co najmniej 15% mniejsza od prędkości krytycznej.

Materiały

• Wały wykonuje się najczęściej różnych rodzajów stali,

• najmniej obciążone - stal konstrukcyjna węglowa zwykłej jakości (np. St3, St4, St5)

• bardziej obciążone - stal konstrukcyjna wyższej jakość (np. St35)

• pracujące przy dużych obciążeniach lub w warunkach wymagających określonych właściwości materiału ( np. odporność na korozję i kwasy); wykonuje się ze stali stopowych

• w wyjątkowych przypadkach stosuje się wały odlewane ze staliwa lub żeliwa

• w drobnych mechanizmach osie i wały wykonywane są również z metali nieżelaznych tworzyw sztucznych

---