USZCZELNIENIA

Podstawowe elementy uszczelnienia to:
-element uszczelniający (uszczelki, pierścień kształtowy, ciecz magnetyczna)
-powierzchnie uszczelniane (płaskie, cylindryczne)
-elementy pomocnicze (dociskowe, prowadzące)
Przeciek-przedostanie się czynnika roboczego z jednego określonego obszaru do drugiego.
W każdym przypadku kierunek przepływu czynnika zależy od różnicy ciśnień delta p=p1-p2.
Jeżeli za obszar I przyjmiemy wnętrze urządzenia o ciśnieniu p1 a obszarem II nazwiemy
otoczenie o ciśnieniu p2 to przy delta p>0 zadaniem uszczelnienia jest przeciwdziałanie
wypływowi czynnika z urządzenia, a przy delta p<0 uszczelnienie powinno chronić wnętrze
urządzenia przed wnikaniem niepożądanych czynników (płyn wilgoć) z otoczenia.
Miarą natężenia przecieku jest hPa dm^3 s^-1. Przeciek równy jest jedności, gdy ciśnienie
w zbiorniku o pojemności 1 dm zmienia się w ciągu 1s o 1hPa.
Przy rozpatrywaniu współpracy powierzchni elementów należy uwzględnić wpływ
parametrów określających stan powierzchni na których zachodzi proces uszczelniania
Cechy-chropowatość pow., twardość, kierunkowość struktury mogą zmienić nośność
warstwy wierzchniej iw wielkość pola powierzchni styku, wpływając na szczelność.
Zmniejszenie chropowatości przez dotarcie elementów wpływa korzystnie na przyleganie i
szczelność
Czynniki które uwzględniamy przy doborze uszczelnien:
-rodzaj czynnika roboczego i jego oddziaływanie chemiczne
-wielkość ciśnienia czynnika
-wielkość temperatury
-prędkość i rodzaj ruchu elementu uszczelnianego
-wolna przestrzeń do zabudowy
-łatwość i koszt montażu i demontażu
-trwałość uszczelnienia (starzenie)
-względy ekonomiczne
Ogólna klasyfikacja uszczelnień:
a)uszczelnienia połączeń ruchowych
-uszczelnienia ruchu posuwisto zwrotnego (pierścienie tłokowe i segmentowe; pierścienie
samouszczelniające; uszczelnienia przesłonowe)
-uszczelnienia ruchu obrotowego:
*uszczelnienia stykowe: prostą powierzchnią styku (czołowe), z cylindryczną (wargowe,
dławieniowe)
*uszczelnienia bezstykowe: szczelinowe (labiryntowe, z pierścieniem pływającym);
cieczowe(wirnikowe, śrubowe, terromagnetyczne)
Podział materiałów uszczelniających:
-elastomery -tworzywo sztuczne -węgiel (grafit) -węglik krzemu -węgliki wolframu
-azotki krzemu -tlenek glinu -metale
Elastomery – to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do
odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości
ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną
z klas elastomerów.
Elastomer posiada zdolność zmiany w szerokim zakresie swoich wymiarów w momencie
gdy jest poddawany naprężeniom rozciągającym, ścinającym lub ściskającym oraz
następnie powrót do poprzednich wymiarów. Np.: niektóre rodzaje gum opartych
na kauczukach silikonowych można rozciągnąć o 1000% pierwotnych wymiarów bez
zerwania.
Zastosowanie:
-bardzo niski moduł sprężystości (od 5-20 MPa) oraz bardzo duża odkształcalność do
zerwania przekraczająca zwykle 100% co jest istotne przy montażu oraz przy pracy
-jako materiał sprężynujący z małą histerezą-zapewnia to możliwość szybkiego reagowania
na zmiany ciepła
-ma stosunkowo dużą odporność na pełzanie, wytrzymałość jest dość niska w porównaniu z
większością tworzyw sztucznych czy metali. Termoplasty:
-niski współczynnik tarcia - nawet przy tarciu suchy lub przy niskiej prędkości obrotowej
uszczelnianego połączenia lub niedostatecznego smarowania układu
-z odpowiednim wypełniaczem tworzywo wykazuje bardzo dobrą odporność na ścieranie
-wysoka wytrzymałość a w przypadku wytrzymałości do masy skutecznie konkurują nawet z
metalami
-większy zakres temp. niż jest to możliwe przy elastomerach
-szeroki zakres odporności chemicznej
Wady tworzyw sztucznych jako uszczelnień:
-nie tłumią drgań i wibracji a przy takich obciążeniach mogą się przemieszczać
-niska elastyczność nie pozwala na rozciągnięcie przy montażu co stwarza problemy i
ogranicza możliwość projektowania, szybsze zużywanie
-temp. wywiera znaczny wpływ na własności podobnie czas
Odporne na: wodę, oleje mineralne i syntetyczne, płyny hamulcowe, nieutleniające kwasy,
zasady, sole, związki organiczne nieutleniające
Nie odporne na: utleniające chemikalia, silne kwasy, chlor, rozpuszczalniki chlorowane
Materiały na elementy uszczelnień czołowych
Przy doborze materiału należy uwzględnić:
-odporność chemiczną
-własności samosmarne
-niski współ. Tarcia
-przewodność cieplną
-rozszerzalność cieplną
-sztywność
-uzyskanie odpowiedniej gładkości
-pv>50 MPam/s; wymagane chłodzenie
Pierścienie ślizgowe ruchome:
Tworzywa węglowo-grafotowe, węglik krzemu, węglik wolframu, ceramika, węglografit
metalizowany
Pierścienie ślizgowe stałe: stal nierdzewna, PTFE z wypełniaczem węglowym, węglik
krzemu, żeliwo
Tworzywo węglowe-wrażliwe na wysokie ciśnienie
Węglik krzemu nie nadaje się do uszczelnienia kwasów
Ceramika nie powinna być stosowana dla gazów
Mienki metalowe i sprężyny: stal nierdzewna stopy metalowe
Wpływ temperatury:
-odparowanie czynnika w szczelinie i pogorszenie smarowania
-odkształcenia cieplne pierścieni i zmiany kształtu szczeliny
-pękanie powierzchni
-zniszczenie uszczelnien wtórnych
-zmiana własności fizyko-chem. I mechan.
Układy uszczelnień:
-zdojony i szeregowy
Układ zdwojony- tworzą dwa urządzenia czołowe odwrócone względem siebie o 180 stopni
uszczelnienia od strony atmosfery II. Przestrzeń pomiędzy obu sczelinami wepłenia się
cieczą zaporową o ciśnieniu wyższym o 0,1-0,2 MPa niż ciśnienie czynnika. W poprawnie
działającym uszczelnieniu możliwy jest wyciek jedynie cieczy zaporowej.
Cechy cieczy zaporowej:
-dobre własności samru
-duża przewodnośc cieplna
-wys. temp. parowania
-nie może działać na czynnik uszczelniany
Stosowane medie:
Chlorek etylenu 130-15 stopni C -Propanol 120-70 -Metylowy 80-40 -Gliceryna 100-200
PROEKTOWANIE ITD
Maszyna-urządzenie zawierające mechanizm lub zespół mechanizmów
Mechanizm-zespół współpracujących ze sobą części składowych maszyny lub przyrządu
spełniających określone zadania, jak no przenoszenie ruchu.
Projektowanie-to opracowanie informacji o sposobach zaspokajania potrzeb
Konstruowanie-polega na doborze cech konstrukcyjnych (materiałowe, geometryczne,
dynamicznych)
Algorytm zadania konstrukcyjnego
Zadanie konstrukcyjne-> przygotowanie modelu fizycznego -> skompletowanie danych
uzupełniających(dane normowe, materiałowe)->opracowanie modelu matematycznego->
sformułowanie procedury optymalizacyjnej-> wykonanie obliczeń-> opracowanie
dokumentacji technicznej
Algorytm realizacji procesu projektu konstrukcyjnego:
Założenia projektowo-konstrukcyjne-> tworzenie układu funkcji składowych->
poszukiwanie fizycznych modeli realizacji funkcji składowych-> tworzenie struktury funkcji
składowych i wariantów rozwiązań-> wybór przydatnych kombinacji-> konkretyzacja
warunków-> identyfikacja kryteriów oceny-> wartościowanie wariantów-> opracowanie
wybranych projektów koncepcyjnych
Schemat blokowy przedstawiający ideę maszyny jako obiektu przetwarzającego materię:

E-energia I-inforacja u-skutek użyteczny R-organ roboczy M-materia S-silnik T-reduktor,
multiplikator
Projektowanie maszyny
podział na zadania konstrukcyjne:
-konstrukcja maszyny
-układy robocze
-układy napędowe
-układy elektryczne
-układy hydrauliczne
-inne
Koordynacja prac -> dokumentacja techniczna
Proces realizacji zadania konstrukcyjno-projektowego

1.Podział środków smarnych:
Gazowe: powietrze, azot dwutlenek wegla, inne gazy
Płynne: oleje mineralne, aleje syntetyczne, woda, emulsje, inne ciecze
Plastyczne na bazie: olejów mineralnych, syntetycznych, inne smary
Stałe: grafit, dwusiarczek molibdenu(MoS2), dwusiarczek wolframu (WS2), inne
2.Charakterytyka:
Gazowe: Gaz jest stosowany jako smar w smarowaniu gazostatycznym lub
gazodynamicznym wysokoobrotowych, niskoobciążonych łożysk ślizgowych.
Płynne: Oleje mineralne będące produktami przeróbki ropy naftowej są najszerzej
stosowane w smarowaniu maszyn. Na ich bazie wytwarzane są oleje smarowe które, w
zależności od potrzeb i zastosowania są mieszaniną różnych olejów bazowych i dodatków
uszlachetniających poprawiających smarność i odporność olejów na oddziaływania
zewnętrzne.
Oleje syntetyczne dzielą się na dwie grupy: oleje węglowodorowe i oleje
niewęglowodorowe. Otrzymuje się je na drodze syntezy chemicznej w celu uzyskania
bardzo określonych właściwości fizyko-chemicznych; są to na przykład trudnopalne oleje
hydrauliczne, oleje silnikowe o wysokim wskaźniku lepkości, obojętne chemicznie oleje
spożywcze.
Wodę lub emulsje wodne stosuje się w mechanizmach gdzie woda występuje jako czynnik
roboczy (pompy wody) , w przypadkach, gdzie potrzebne jest intensywne chłodzenie
smarowanych elementów, lub w miejscach zagrożenia pożarowego lub wybuchowego
(górnictwo).
Plastyczne: Są to przeważnie smary plastyczne, powstałe przez zagęszczenie olejów
mineralnych lub syntetycznych specjalnymi mydłami (wapniowymi, sodowymi, litowymi,
baru i innych pierwistków). Stosowane są w mechanizmach, gdzie trudno utrzymać lub
dostarczać olej smarowy.
Smary plastyczne są to dyspersje stałych zagęszczaczy w fazie ciekłej. W skład smarów jako
reguła, wchodzą trzy podstawowe składniki:
- faza ciekła (osnowa) – 70 … 90%; (olej mineralny, syntetyczny, roślinny lub ich
mieszaniny),
-faza zdyspergowana, stała, zagęszczacz – 10 … 25%; (mydła metali, polimery, stałe
węglowodory, a także substancje nieorganiczne np.: bentonity, żel krzemionkowy itp.)
-dodatki poprawiające właściwości eksploatacyjne, modyfikatory struktury, wypełniacze – 1
… 15%; mogą być one zawarte zarówno w fazie ciekłej jak i w fazie stałej.
Smary plastyczne są cieczami nienewtonowskimi. Oznacza to, że ich lepkość zależy nie tylko
od ciśnienia i temperatury, lecz także od gradientu prędkości.
Stałe: materiały te mają budowę płytkową, co ułatwia wytworzenie charakterystycznych
płaszczyzn poślizgu, dzięki czemu zmniejszony jest współczynnik tarcia. Stosowane są jako
samoistne środki smarne w warunkach podwyższonej temperatury, lub jako dodatki do
olejów smarowych i smarów.
3.Lepkość dynamiczna



- współczynnik lepkości dynamicznej (lepkość dynamiczna): lepkość dynamiczna

stosowana jest w obliczeniach łożysk hydrodynamicznych i hydrostatycznych. Jednostka
lepkości dynamicznej paskalosekunda

4.lepkość kinematyczna:
Do celów klasyfikacji lepkościowej olejów smarowych używa się współczynnika lepkości
kinematycznej (lepkość kinematyczna). Lepkość kinematyczna jest to lepkość dynamiczna

odniesiona do gęstości (masy właściwej):

5.Wskaźnik lepkości:
Idea tego wskaźnika polega na porównaniu zmian lepkości badanego oleju w zależności od
temperatury ze zmianami lepkości dwóch olejów wzorcowych o znacznym zróznicowaniu
wrażliwości na zmiany temperatury . Olejowi wzorcowemu o małej wrażliwości
oznaczonemu literą H (High-wysoki) przypisuje się wskaźnik lepkości 100, a olejowi
wzorcowemu o dużej wrażliwości oznaczonemu literą L (Low-niski) przypisuje się wskaźnik
lepkości 0.
Badany olej oznaczony literą U (Unidentified-nieznany) ma nieznaną wrażliwość na zmiany
temperatury.
Badanie polega na dobraniu olejów wzorcowych H i L w taki sposób aby w temperaturze
100

0

C (210

0

F) miały lepkość taką samą jak olej badany U. Wtedy mierząc lepkość olejów H,

L i U w temperaturze 40

0

C (100

0

F) można określić wskaźnik lepkości WL według wzoru:

6.Lepkość strukturalna smarów:
Odpowiednikiem lepkości dynamicznej jest dla smarów lepkość strukturalna



. Określa się

ja jako stosunek naprężenia stycznego



do gradientu prędkości odkształcania smaru D w

określonej chwili.
7.Podział smarowania:
Rodzaj środka smarowego: płynami(cieczami, gazami), smarami plastycznymi, smarami
stałymi, kompozycjami smarowymi(emulsjami, mgłą olejową, kompozycjami olej lub smar
plastyczny-smar stały)
Ilość środka smarowego: okresowe, ciągłe
Dopływ środka smarowego: bezciśnieniowe (grawitacyjne, kapilarne, powielaczowe,
zanurzeniowe, rozbryzgowe, inne) ciśnieniowe
Obieg środka smarowego: przelotowe, obiegowe
Zespołowość: indywidualne, grupowe
Obsługa: ręcznie, automatycznie
8. Smarowanie obiegowe polega na przepływie środka smarnego w obiegu zamkniętym,
wg schematu: zbiornik oleju - pompa - skojarzenie trące - miska olejowa - zbiornik oleju
W układach smarowania obiegowego są stosowane: filtry, odstojniki, chłodnice, urządzenia
kontrolno - pomiarowe do nadzorowania stanu oleju: temperatury, ciśnienia, poziomu,
stanu czystości, a także regulatory ciśnienia i przepływu, zawory bezpieczeństwa,
wyłączniki, rozdzielacze.
Układy smarowania obiegowego są stosowane w przypadkach wydzielonych jednostek
(maszyn), wymagających dużych ilości środka smarnego, który wielokrotnie przepływa
przez smarowane skojarzenia trące maszyny. Układy smarowania obiegowego są
stosowane w urządzeniach wymagających intensywnego smarowania z uwagi na bardzo
duże obciążenia lub konieczność odprowadzania ciepła. Typowe zastosowania to
walcownie metali, silniki spalinowe ciężkie przekładnie zębate.
9. Zasadniczą cechą smarowania przelotowego (obieg otwarty) jest jednokrotne przejście
środka smarnego przez smarowany mechanizm. Smarowanie przelotowe jest stosowane w
przypadkach, gdy ze względów ekonomicznych, konstrukcyjnych lub właściwości środka
smarnego, zastosowanie smarowania obiegowego jest niecelowe. W układach tego typu
środek smarny ze zbiornika, przepływa przez smarowany mechanizm, a następnie wypływa
poza układ. Taki sposób smarowania najczęściej jest stosowany w przypadku smarowania
smarami plastycznymi, ale również olejami. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych
przelotowych urządzeń smarowych do smarów plastycznych w postaci układów
centralnego smarowania lub smarowniczek indywidualnych. W większości przypadków,
rozwiązania konstrukcyjne układów przelotowego smarowania olejem, ogranicza się do
schematu: zbiornik oleju - układ dozujący - skojarzenie trące - odprowadzenie
Smarowanie natryskowe zamkniętej przekładni zębatej.
1 - przewód doprowadzający olej, 2 - wtryskiwacz, 3 - koło zębate.
Grawitacyjne ciągłe smarowanie otwartej przekładni zębatej
1 - pojemnik na olej, 2 - kurek.
10. Charakterystyka samoczynnych smarowniczek:
- dostarczają oleje i smary do wszystkich punktów smarowania.
-pewne, bezpieczne i w pełni automatyczne.
-posiadają wskaźnik opróżnienia.
-automatycznie dopasowują swoje ciśnienie podawania do potrzeb każdego punktu
smarowania.
-okres pracy w zależności od potrzeb i typu do 12 miesięcy.
-wymienialne ręcznie bez potrzeby stosowania narzędzi. I nie wymagają kontroli.
11.ZALETY I WADY CENTRALNYCH UKŁADÓW SMAROWANIA
ZALETY
-Utrzymują właściwą grubość warstwy środka smarnego
-Skuteczne smarowanie – wzrost niezawodności – zwiększenie możliwości wytwórczych
-Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych
-Bezpieczeństwo pracy
WADY
-Dodatkowe koszty projektowania i budowy układu smarowania i kontroli procesu
-Większe wymagania co do poziomu technicznego obsługi
-Nadają się do bardziej odpowiedzialnych i złożonych mechanizmów
12. CHARAKTERYSTYKA WIELOPUNKTOWEGO UKŁADU SMAROWANIA Z DŁAWIKAMI
DOZUJACYMI OLEJ
-Nadaje się tylko do smarowania olejem
-Dławik nie ma działania wyporowego dlatego może być stosowany tylko w układach
niskociśnieniowych
-Uszkodzenie przewodu w dowolnym miejscu powoduje brak smarowania całego
mechanizmu
-Brak kontroli układu
- Kanały wkładu dławiącego są podatne na zatykanie
- Dławiki mogą być wbudowane w urządzenie
- Łatwe dodawanie punktów smarowniczych
- Niezbyt kosztowny
- Projektowanie i montaż układu są stosunkowo proste
WSPÓŁCZYNNIK TARCIA:
Wzór Eulera

gdzie:
S1 – siła po stronie bardziej obciążonej,
S2 – siła po stronie mniej obciążonej,
- kąt opasania koła pędnego liną,
- współczynnik tarcia pomiędzy liną, a wykładziną,
e - podstawa logarytmu naturalnego

(e = 2.718281828458563411277850606202642)
Siła obwodowa

Stopień pewności przed poślizgiem-Stosunek nadwagi dopuszczalnej do nadwagi
rzeczywistej

Jak możemy zabezpieczyć się przed poślizgiem
-Wykładziny -Kąt opasania –Napinanie
Materiały na wykładziny
KOŁA NAPĘDÓW
- GUMA – MODAR - BECORIT
NA INNE KOŁA -poliamid
Czynniki wpływające na współczynnik tarcia
liny o wykładzinę
• materiał wykładziny • konstrukcja liny • wartość nacisku • prędkość pełzania liny
• smarowanie (rodzaj smaru i intensywność smarowania )
• wilgotność liny i wykładziny • temperatura
Wymagania stawiane wykładzinom
-wysoka wartość współczynnika tarcia (stabilna, niezależna od warunków)
-odporność na ścieranie -duża twardość w szerokim zakresie temperatur
- odporność na działanie czynników zewnętrznych - niepalność
Podstawowe badanie wykładzin
-badania statycznego współczynnika tarcia -badania kinetycznego współczynnika tarcia
- badanie ścieralności - badania palności - badania twardości
Materiały konstrukcyjne
Materiałami konstrukcyjnymi nazywane są materiały inżynierskie wykorzystywane przy
budowie urządzeń i maszyn. Zaliczamy do nich metale a także ich stopy, ceramikę,
kompozyty, polimery.
Metale to materiały w stanie stałym charakteryzujące się takimi właściwościami jak:
- połysk,
- dobre przewodzenie elektryczności i ciepła,
- plastyczność,
Te właściwości wynikają z metalicznego wiązania występującego między atomami
tworzącymi metal oraz z krystalicznej budowy. Metale dzielimy na dwie grupy: nieżelazne -
kolorowe i żelazne.
Polimery nazywane są również tworzywami wielkocząsteczkowymi. Wyróżniamy polimery
sztuczne i naturalne. Sztuczne powstają poprzez łączenie najczęściej wiązaniami
kowalencyjnymi dużej ilości identycznych i niewielkich zgrupowań atomów, nazywanych
monomerami. Polimery naturalne nazywane są biopolimerami i otrzymuje się je w wyniku
obróbki i częściowej modyfikacji naturalnych surowców.
PROJRKTOWANIE W UJECIU MECHATRONICZNYM (daty,piezo,magneto,MES)
Dyscypliny wiedzy wykorzystywane przy projektowaniu maszyn w ujęciu
mechatronicznym:
-mechanika-mechanika techniczna; budowa maszyn; teoria maszyn i mechanizmów
-przetwarzanie informacji-teoria systemów; przetwarzanie danych procesowych
-elektrotechnika-mikroelektronika; elektronika siłowa; metrologia
Problem syntezy
Jakie siły i momenty należy przyłożyć w odpowiednich punktach mechanizmu aby pewien
jego punkt wykonał ruch? -> do realizacji tego zadania potrzebne są elementy regulacyjne i
nastawcze
Wielkości pomiarowe w układach mechatronicznych:
Wielkości mechaniczne: droga, prędkość, przyspieszenie, siła, moment obrotowy, tem.,
ciśnienie.
Wielkości elektryczne: prąd, napięcie, natężenie pola, gęstość strumienia magnetycznego
Do pomiaru tych wielkości potrzebne są systemy pomiarowe odznaczające się:
-dużą dynamiką -wysoką rozdzielczością -odpornością na zakłócenia -trwałością
-miniaturyzacją
System mechatroniczny:
a)system podstawowy-mechaniczny
b)system sensorów-czujników
c)system aktuatorów- człony wykonawcze uruchamiające
d)procesory i przetwarzanie danych wejściowych
Podział sensorów:
-proste-przetwornik przekształtnik
-integrowane-posiadają dodatkowo zabudowany wraz z sensorem moduły np.
wzmacniające sygnał, normujące sygnał wyjściowy od 0-5V itp.
-inteligentne-sensory zintegrowane z dodatkowymi mikrokontrolerami np. samoczynnie
protokołującymi dane pomiarowe, podających informacje o osiągnięciu jakiejś wartości
granicznej, lub sensory składające się z kilku czujników np. akcelerometry podające nie
tylko wartości przyspieszenia ale i jego składowe na kierunkach prostopadłych
Materiały magnetostrykcyjne
Charakteryzują się zmianą wymiarów liniowych pod wpływem namagnesowania i
odwrotnie. Mogą więc służyć zarówno jako elementy wykonawcze, jako zawory
hydrauliczne (wtrysk paliwa) głośniki, itp. Jak również jako czujnik drgań czy czujniki
odkształcenia.
Zjawisko magnetostrykcji odkrył już w 1842 J.P.Joule dla żelaza. Wcześnie materiały
magnetostrykcyjne charakteryzowały się bardzo niewielką magnetostrykcją (rzędu 50*10^-
6)
Ewolucja tych materiałów obecnie jest na etapie GMM które posiadają linową
magnetostrykcję rzędu 0,2% wytrzymują naprężenia do około 600MPa a czas ich
odpowiedzi na sygnał magnetyczny jest bardzo krótki około 1*10^-6 sek.
Materiały piezoelektryczne-to materiały które przetwarzają energią elektryczną na
mechaniczną i odwrotnie
Zjawisko piezoelektryczności odkryli w 1880 roku Pierre i Jacques Curie. Około 15%
wszystkich kryształów to piezoelektryki.
W 1917 P Langevin użył płyt kwarcowych do wykrywania obiektów podwodnych (sonaru)
Piezoelektryki mają również zastosowanie jako czujniki i elementy wykonawcze. Znajdują
one zastosowanie w głowicach drukujących drukarek (uzyskuje się średnice plamki tuszu
kilkakrotnie mniejszą od grubości włosa a ciśnienie w dyszy osiąga wartości 20MPa),
zapalniczkach, układach zapłonowych, mikrofonach.
Aktuatory
W urządzeniu mechatronicznym aktuatory znajdują się pomiędzy regulatorem
(urządzeniem sterującym) a systemem lub procesem na który należy wpływać)
Mikrokomputer ->sygnał sterujący ->aktuatory(<-dodatkowa energia)->system
mechaniczny
Projektowanie systemów mechatroniczncyh zaczyna się na ogół od studium systemu czyli
od wyboru jednej spośród wielu koncepcji spełniającej zadane kryteria.
W trakcie wyboru i realizacji koncepcji istotne są zarówno modele zorientowane na funkcję
jak i modele zorientowane na postać konstrukcyjną
Modele zorientowane na funkcje
Modele te służą do opisu funkcji systemu mechatronicznego. Ten rodzaj modelowania
opiera się na budowie łańcucha powiązanych ze sobą ciał sztywnych np. za pomocą
przegubów z uwzględnieniem działających na niego w czasie sił i momentów.
Modele zorientowane na funkcję z dobrym skutkiem odwzorowywują rzeczywiste funkcje
mechanizmu. Do modelowania kinematyki układów mechanicznych można użyć takiego
oprogramowania jak Working Model czy Adams.
Służą do badania wytrzymałości i tworzenia projektu konstrukcyjnego systemu
mechatronicznego. Funkcjonalność odgrywa w tym wypadku drugorzędną rolę. Modele
zorientowane na postać konstrukcyjną buduję w oparciu o metod elementarne, analityczne
lub w oparci o MES.
Zastosowanie MES w modelowaniu:
Metoda elementów skończonych polega w ogólności w przypadku zagadnie statycznych na
całkowitej eliminacji równań różniczkowych poprzez zastosowanie funkcji aproksymujących
w postaci wielomianów. W przypadku zagadnień dynamicznych zastąpienie układu równań
cząstkowych układem równań zwyczajowych łatwo rozwiązywalnym numerycznie np.
metodą Eurela lub Runge-Kutty
Rozwój MES:
Do powstania MES przyczynili się przede wszystko matematycy którzy rozwinęli ogólne
metody mające bezpośrednie zastosowanie do równań różniczkowych np. metodę
residuów ważonych (Gauss 1795, Galerkim 1915, Biezeno-Koch 1923) czy aproksymacyjna
metoda różnić skończonych (Richardson 1910, Liebmen 1918, Southwell 1946)
Inżynierowie stosowali bardziej intuicyjne metody znajdujące analogię pomiędzy
rzeczywistymi elementami skończonymi a elementami skończonymi pewnego kontinuum.
Np. McHenry, Hreinkhoff, Newmark i Southwell w latach 40 pokazali że dostatecznie dobre
rozwiązanie dla sprężystego środka ciągłego można uzyskać zastępując jego małe części
elastycznymi prętami.
Głównym problemem MES jest takie przeprowadzenie aproksymacji równań cząstkowych,
która będzie numerycznie stabilna, czyli żeby błędy w danych wejściowych oraz błędy
obliczeń pośrednich nie akumulowały się powodując że wynik symulacji będzie znacząco
różny od rzeczywistego.
MES opierając się o ideę dyskretyzacji kontinuum stwarza możliwość badania złożonych
zjawisk przy jednocześnie zróżnicowanej dokładności, co znacząco skraca czas obliczeń, przy
zachowaniu zadowalającej dokładności wyników.