Ogólne podstawy

projektowania i

konstruowania elementów

maszyn

Pojecia podstawowe

Mechanizmem nazywamy układ połączonych ze sobą części, służących do

przenoszenia ruchu, np. mechanizm śrubowy, mechanizm jarzmowy, mechanizm

korbowo-wodzikowy

Maszyna jest to urządzenie zawierające mechanizm lub zespół mechanizmów,

służące do przetwarzania energii lub do wykonywania pracy mechanicznej.

Pod względem energetycznym maszyny można podzielić na dwie grupy:

- maszyny napędowe, ( silniki) które pobierają energię z zewnętrznego źródła i

przetwarzają na energię mechaniczną ,
- maszyny robocze, które pobierają energię od silników w celu przetworzenia jej na

pracę użyteczną. Maszyny robocze można podzielić na :

a) technologiczne, stosowane do wykonywania procesu technologicznego ( np.

obrabiarki, walcarki)

b) energetyczne, służące do przetwarzania jednej postaci energii na inną ( np.

sprężarki, pompy, prądnice)

c) transportowe, ( np. dźwignice i przenośniki, maszyny rolnicze, samochody)

Każda maszyna lub mechanizm w zależności od stopnia złożoności, składa się z

elementów połączonych w zespoły.

Element jest taką częścią maszyny, którą wykonuje się bez stosowania operacji

montażowych, np. wał prosty, śruby, koła zębate. Elementy te mogą być proste ( np.

śruba, nakrętka, sworzeń, podkładka ) lub złożone ( np. wał korbowy silnika

spalinowego, kadłub reduktora ) mimo że składają się one również z jednej części.

Zespół lub jednostka montażowa jest wyrobem składającym się z pewnej liczby

elementów połączonych ze sobą ( np. sprzęgło, uszczelnienie czołowe, przekładnia

zębata ).

Projektowanie i konstruowanie

Pod pojęciem projektowania należy rozumieć :

a) opracowania założeń konstrukcyjnych,

b) opracowanie koncepcji konstrukcji.

Konstruowanie polega na dobieraniu cech konstrukcyjnych ,które

umożliwiają poprawne działanie maszyny i na weryfikacji tych cech zgodnie z

założeniami konstrukcyjnymi lub daną przez projektanta koncepcją.

Podstawowe cechy konstrukcyjne to:
- cechy geometryczne, określone przez postać i wymiary przedmiotu,
- cechy materiałowe, określone własnościami tworzywa

konstrukcyjnego oraz

jego strukturą wewnętrzną,

- cechy dynamiczne, które określają np. stan obciążenia i wymagania

montażowe ( np. określone napięcie wstępne w śrubach lub w sprężynach).

Znaczenie zapisu konstrukcji uwidacznia się na tle przedstawionego

modelu systemu informacyjnego w podstawowych działaniach technicznych,

wśród

których wyróżnia się :projektowanie, konstruowanie, wytwarzanie i

eksploatację.

System informacyjny w podstawowych działaniach technicznych (wg

Dietrycha)

KONSTRUKCJA, CECHY KONSTRUKCYJNE

Konstrukcja (Ks) jest to układ struktur i stanów wytworu. Jest wyznaczona
przez cechy konstrukcyjne C

k

czyli

Ks => C

k

= {C

g

, C

m

, C

d

},

gdzie:
C

g

– geometryczne cechy konstrukcyjne,

C

m

– materiałowe cechy konstrukcyjne,

C

d

– dynamiczne cechy konstrukcyjne.

Pojęcia cech konstrukcyjnych, wprowadzone do teorii konstrukcji przez
Dietrycha, wyjaśniona na przykładzie układu połączenia koła z wałem za
pomocą pierścieni stożkowych (rys.).

Wytworzenie każdego elementu przedstawionego na rysunku układu jest
możliwe po określeniu geometrycznych cech konstrukcyjnych C

g

, obejmujących

postać konstrukcyjną Π i układ wymiarów W, oraz materiałowych cech
konstrukcyjnych

C

m

określających

tworzywo.

Skuteczność

działania

przedstawionego układu, polegająca na przenoszeniu momentu obrotowego,
wymaga wywołania w tym układzie odpowiedniego stanu określonego
dynamicznymi cechami konstrukcyjnymi C

d

. W omawianym przypadku stan układu

charakteryzuje się polem naprężeń, wywołanym odkształceniem elementów tego
układu podczas montażu za pomocą dokręcenia odpowiednich śrub.

Maszyny wprowadzone do eksploatacji powinny spełniać wszystkie

wymagania założone w fazie projektowania. Do ogólnych wymagań które
powinny być uwzględnione w konstruowaniu maszyn nalezą:

-funkcjonalność,

-odpowiednia trwałość i niezawodność,

-tanie i dostępne materiały,
-łatwe i tanie wykonanie,
-tania eksploatacja i oszczędne zużycie energii,
-mały ciężar,
-zwarta budowa,
-zgodność z obowiązującymi normami.

Konstrukcje spełniającą te wymagania uznaje się za dobrą. Czasem mogą
dojść jeszcze wymagania szczegółowe, wynikające ze specyficznego
zastosowania maszyny, np. odporność na wysokie lub niskie temperatury,
wilgoć, kwasy lub samoczynne działanie i automatyczna regulacja, itp. Czasem
niektóre wymagania mogą być specjalnie wyeksponowane, np. minimum
ciężaru lub objętości i wówczas przeprowadza się postępowanie
optymalizacyjne ze względu na przyjęte kryterium. Konstrukcję dobrą,
spełniającą dodatkowo szczegółowy warunek optymalizacyjny nazwiemy
optymalną ze względu na zadane kryterium.

Dokumentacja niezbędna do wytworzenia i następnie eksploatowania maszyny
lub urządzenia składa się z:

-dokumentacji technicznej,
-dokumentacji technologicznej,
-dokumentacji techniczno-ruchowej.

Dokumentacja techniczna obejmuje rysunki niezbędne do wykonania
maszyny, a wiec rysunki części, rysunki zestawieniowe, obliczenia, wykazy części,
wykazy materiałów, warunki techniczne odbioru, opis techniczny maszyny.

Na podstawie dokumentacji technicznej opracowuje się dokumentację
technologiczną, obejmującą wszystkie wskazówki jak wykonać poszczególne
części i jak je zmontować.

Dokumentację techniczno-ruchową stanowią instrukcje obsługi ze
szczególnym uwzględnieniem zagadnień BHP, instrukcje smarowania, rysunki
fundamentu oraz wskazówki dotyczące transportu, ustawienia i uruchomienia
maszyny lub urządzenia.

Normalizacja i unifikacja maszyn i ich elementów

Wykonanie maszyny lub urządzenia polega na wykonaniu jej elementów oraz
na ich złożeniu czyli montażu. Koszt maszyny można obniżyć nie tylko przez
zmniejszenie ilości części. Koszt wykonania każdej części zależny jest w dużym
stopniu od jej kształtu i ilości jednocześnie produkowanych sztuk. Im ta ilość
jest większa tym wydajniejsze metody produkcji mogą być zastosowane i tym
mniejszy będzie koszt produkcji elementów, a w związku z tym mniejszy będzie
koszt wykonania całej maszyny.

Wyrazem dążenia do obniżenia kosztów produkcji elementów i całych maszyn
jest między innymi normalizacja i unifikacja ( ujednolicenie ) elementów
maszyn i całych zespołów.

Pod pojęciem normalizacji rozumie się uporządkowanie, uproszczenie i
ujednolicenie:
-oznaczeń technicznych ( w tym rysunku technicznego ) i słownictwa,
-podstawowych wielkości stosowanych w budowie maszyn ( np. wymiarów

normalnych, tolerancji i pasowań , zarysów gwintów),
-materiałów ( np. gatunków stali, żeliwa ),
-gotowych części maszyn ( np. śrub, wpustów, łożysk ) jak i zespołów ( np.

sprzęgieł, przekładni zębatych ),
-niektórych metod badawczych,
-warunków odbioru technicznego, konserwacji, transportu.

Pod pojęciem unifikacji części lub zespołów, rozumie się stosowanie w
wielu konstrukcjach jednakowych części lub zespołów. Unifikacja pozwala
na zwiększenie ilości produkowanych sztuk, a tym samym na obniżenie ich
kosztu.
Stosowanie elementów znormalizowanych i zunifikowanych ułatwia i skraca
cykl konstruowania oraz obniża koszt wytwarzania i eksploatacji maszyn
lub urządzeń, ponieważ:

-elementy i zespoły znormalizowane mogą być produkowane w
wyspecjalizowanych zakładach wielkoseryjnie lub masowo, przy
stosowaniu wysoko wydajnych metod produkcji,
-jest możliwe wprowadzenie zamienności części w szerokim zakresie,

zarówno w procesach montażowych jak i przy naprawach,

-zostaje ułatwiona praca konstruktora, który nie projektuje i nie

wykonuje

rysunków części normalnych, a jedynie podaje ich symbole w

dokumentacji

technicznej

Trwałość i niezawodność maszyn

Uszkodzenie jest to przejście maszyny ze stanu zdatności w stan niezdatności,
może to nastąpić zarówno w czasie pracy maszyny jak i postoju lub
magazynowania. Zakłada się, że uszkodzenie maszyn jest procesem losowym,
jednakże podlega pewnym prawom.

Częstotliwość występowania
uszkodzeń

Okres początkowy: uszkodzenia wynikające głównie z wad
produkcyjnych, technologicznych, eksploatacyjnych oraz niekiedy
konstrukcyjnych, występuje duża częstość uszkodzeń

Normalna praca: częstotliwość uszkodzeń jest niska, uszkodzenia są
wynikiem głównie ograniczeń tkwiących w projekcie, zmęczenia, zużycia,
lub błędów eksploatacyjnych

Starzenie się: wynika z naturalnego zużycia elementów, zmiany
właściwości materiałów, okres starzenia powinien być określony przez
konstruktora

Niezawodność: prawdopodobieństwo, że w danych warunkach i
określonym czasie maszyna będzie spełniała swoją funkcję bez wystąpienia
uszkodzeń

Literatura :

[1] Dobrzański T.: „Rysunek techniczny maszynowy”, WNT, Warszawa
2006,

[2] Rydzanicz I.: „Zapis konstrukcji – podstawy”, skrypt Pol. Wrocławska,
1996

[3] Rydzanicz I. : „Zapis konstrukcji - zadania”, WNT Warszawa, 2006,

[4] Horwatt W. Bartoszewicz J. : „Podstawy konstrukcji mechanicznych
dla
elektryków”, WNT Warszawa, 1975,

[5] Osiński Z. Bajon W. Sucki T.: „Podstawy konstrukcji maszyn”, PWN,
Warszawa, 1995,

[6] Kurmaz L. W.: „Podstawy konstrukcji maszyn - projektowanie”, PWN,
Warszawa,1999

[7] Środa P.: „Ćwiczenia z podstaw budowy maszyn i urządzeń” Część III

>>.

Skrypt AGH, nr 936, Kraków,

1984

[8] Budzoń P., Oleksiak Z.: „Zbiór zadań z podstaw konstrukcji i
eksploatacji

>>

maszyn” Skrypt AGH, nr 1204, Kraków, 1990

Podstawy graficznego zapisu konstrukcji

Podstawowym zagadnieniem w zapisie konstrukcji jest zapis geometrycznych

cech konstrukcji, czyli postaci geometrycznej i układu wymiarów.
W zapisie graficznym odwzorowanie postaci geometrycznej opiera się na

rzutowaniu prostokątnym i aksonometrycznym.
Podstawę graficznego zapisu konstrukcji stanowi rzutowanie prostokątne ,

które polega na przedstawieniu przedmiotów trójwymiarowych za pomocą

utworów płaskich, którymi są poszczególne rzuty prostokątne.

Rzutowanie prostokątne

Jeżeli umieścimy przedmiot wewnątrz wyobrażalnego prostopadłościanu ,

którego wszystkie ściany są rzutniami i wyznaczymy na tych rzutniach rzuty

prostokątne przedmiotu, to po rozwinięciu ścian prostopadłościanu w sposób

pokazany na rysunku, otrzymamy układ rzutów prostokątnych tego

przedmiotu.
Rzutami przedmiotu mogą być za równo widoki, przedstawiające ich

zewnętrzne kształty, jak i przekroje, które pokazują budowę wewnętrzną

przedmiotów wydrążonych oraz ich układy typu półprzekrój- półwidok.

Rzutowanie prostokątne

Rzutowanie prostokątne metodą europejską – E

Rzutowanie prostokątne metodą europejską - E polega na wyznaczaniu
rzutów prostokątnych przedmiotu na wzajemnie prostopadłych rzutniach,
przy założeniu, że przedmiot rzutowany znajduje się między obserwatorem
i rzutnią.

Układ rzutów wg metody E

Poszczególne rzuty mają następujące nazwy:
rzut w kierunku A - rzut z przodu (rzut główny),
rzut w kierunku B - rzut z góry,
rzut w kierunku C - rzut od lewej strony,
rzut w kierunku D - rzut od prawej strony,
rzut w kierunku E - rzut z dołu,
rzut w kierunku F - rzut z tyłu.

Przy rysowaniu przedmiotów w rzutach prostokątnych należy

stosować następujące zasady:

1.

Liczba rzutów powinna być ograniczona do minimum, niezbędnego do
jednoznacznego przedstawienia kształtu przedmiotu i zwymiarowania go.

2.

Przedmiot rysowany powinien być tak ustawiony wewnątrz
wyobrażalnego prostopadłościanu, aby większość jego
charakterystycznych płaszczyzn i osi była równoległa bądź prostopadła
do rzutni, gdyż ułatwia to rysowanie. I wymiarowanie.

3.

Rzut główny, zarówno rysunku złożonego , jak i rysunku pojedynczego
części (rysunek wykonawczy) powinien przedstawiać przedmiot w
położeniu, jakie ma on zajmować w rzeczywistości, widziany od strony
uwidaczniającej najwięcej jego cech charakterystycznych.

Rzuty aksonometryczne

Do przedstawiania kształtów przedmiotów w sposób poglądowy w jednym
rzucie, służą w rysunku technicznym maszynowym rzuty aksonometryczne:

-izometryczne (jednowymiarowe),
-dimetryczne (dwuwymiarowe) ukośne,
-dimetryczne prostokątne.

Podstawowe własności tych rzutów przedstawiono na rysunku, na którym
pokazano układ osi odwzorowujących prostokątny układ współrzędnych
x,y,z. Zasadnicze różnice między poszczególnymi rzutami
aksonometrycznymi polegają na różnych kątach między osiami układu
współrzędnych oraz na różnych proporcjach wymiarów liniowych
odmierzanych w kierunkach osi współrzędnych. W zapisie układu
wymiarów w rzutach aksonometrycznych przyjmuje się regułę, aby linie
wymiarowe były równoległe do odpowiednich osi współrzędnych danego
rzutu aksonometrycznego.

Rzut izometryczny:
a) układ osi współrzędnych,
b) przedmiot o wymiarach skróconych w stosunku 0,82:1,
c) ten sam przedmiot narysowany bez skracania wymiarów

Rzut dimetryczny ukośny:
a) układ osi współrzędnych,
b) przedmiot w rzucie dimetrycznym ukośnym

Rzut dimetryczny prostokątny:
a) układ osi współrzędnych,
b) przedmiot w rzucie dimetrycznym prostokątnym

Przekroje rysunkowe

W przypadku postaci konstrukcyjnej bardziej złożonych przedmiotów, zapis konstrukcji

wymaga stosowania nie tylko rzutów będących widokami, lecz odpowiednio dobranych

przekrojów.

Rzut będący przekrojem wykonuje się w ten sposób, że rysujemy to, co jest w

płaszczyźnie przekroju oraz to co jest widoczne za płaszczyzną przekroju. Przekrój

przedstawia wieć zarys figury leżącej w płaszczyźnie przekroju oraz widoczne zarysy i

krawędzie przedmiotu, leżące za tą płaszczyzną.

Oznaczanie i kreskowanie przekrojów

Położenie płaszczyzny przekroju zaznacza się w rzucie na płaszczyznę do niej prostopadłą

dwiema krótkimi kreskami nie przecinającymi zewnętrznego zarysu przedmiotu oraz

strzałkami wskazującymi kierunek rzutowania przedmiotu, umieszczonych w odległości 2-3

mm od zewnętrznych końców grubych kresek.
Płaszczyznę przekroju oznacza się dwiema jednakowymi dużymi literami, które pisze się

obok strzałek, a nad rzutem przekroju powtarza się litery. Rozdzielając je poziomą kreską.
Linie kreskowania (linie cienkie) powinny być nachylone pod kątem 45 do linii zarysu

przekroju, do jego osi lub do poziomu.
Podziałka kreskowania (odległość między sąsiednimi kreskami) zależy od wielkości

kreskowania pola i może wynosić od 0,5 mm dla bardzo małych pól do 5mm dla pól dużych.
Kreskowanie przekrojów tego samego przedmiotu w różnych rzutach powinno mieć

jednakowy kierunek i podziałkę.
Na rysunkach złożeniowych kreskowanie przekrojów stykających się ze sobą części powinno

się różnić kierunkami (i ewentualnie podziałką), a gdy jest to niemożliwe- tylko podziałką.

Przekrój wzdłużny (a)
i przekrój poprzeczny

(b)

elementu

Postać konstrukcyjna o

większym

stopniu uszczegółowienia.

Półprzekrój przedmiotu obrotowego Zapis przedmiotu symetrycznego;
rzut główny jako układ półwidok-

półprzekrój,

rzut boczny jako półwidok

Rzut jako półwidok-półprzekrój

Przekrój stopniowy Przekrój rozwinięty

Przekrój łamany

Przedstawienie postaci konstrukcyjnej mechanizmu za pomocą przekroju rozwiniętego.

Widoki częściowe

Widok częściowy Widok częściowy do

zamiast całego widoku przedstawienia postaci

geometrycznej rowka na

wpust

Przedstawienie postaci geometrycznej nadlewu w korpusie
przekładni za pomocą widoku częściowego

Przekroje cząstkowe ( wyrwania)

Przekroje cząstkowe (wyrwania)

Przykład zastosowania
przekroju częściowego

Kład

Kład jest to zarys figury płaskiej leżącej w płaszczyźnie poprzecznego
przekroju przedmiotu, obrócony wraz z tą płaszczyzną o 90 i położony na
widoku przedmiotu (kład miejscowy) lub poza jego zarysem (kład
przesunięty).

Różnica między kładem i przekrojem polega na tym, że w kładzie nie

występują zarysy przedmiotu, znajdujące się za płaszczyzną przekroju.

Kłady przesunięte ( wzdłuż linii - płaszczyzny cięcia )

Kład przesunięty jako rzut przesunięty i obrócony

Przykład zastosowania kładów

Kilka kładów jednego przedmiotu.

Skrócenie zapisu z zastosowaniem przerwania – elementy płaskie

Skrócenie zapisu z zastosowaniem przerywania - elementy

obrotowe

Podstawowe zasady wymiarowania w rysunku technicznym

1.Zasada wymiarów koniecznych,
2. Zasada niepowtarzania wymiarów,
3. Zasada niezamykania łańcucha wymiarowego,
4. Zasada pomijania wymiarów oczywistych.

1.Zasada wymiarów koniecznych

Zawsze podajemy wymiary gabarytowe
(zewnętrzne). Wymiary mniejsze rysujemy bliżej
rzutu przedmiotu.
Zawsze podajemy tylko tyle i takich wymiarów
które są niezbędne do jednoznacznego określenia
wymiarowego przedmiotu.
Każdy wymiar na rysunku powinien dawać się
odmierzyć na przedmiocie w czasie wykonywania
czynności obróbkowych.

2. Zasada niepowtarzania

wymiarów

Wymiarów nie należy nigdy powtarzać ani na tym samym rzucie, ani na różnych
rzutach tego samego przedmiotu.
Każdy wymiar powinien być podany na rysunku tylko raz i to w miejscu, w
którym jest on najbardziej zrozumiały, łatwy do odszukania i potrzebny ze
względu na przebieg obróbki.

3. Zasada niezamykania łańcuchów

wymiarowych

Łańcuchy wymiarowe stanowią szereg kolejnych wymiarów równoległych (tzw.
łańcuchy wymiarowe proste - rys. 1) lub dowolnie skierowanych (tzw.
łańcuchy wymiarowe złożone - rys. 2)
W obu rodzajach łańcuchów nie należy wpisywać wszystkich wymiarów, gdyż
łańcuch zamknięty zawiera wymiary zbędne wynikające z innych wymiarów.
Łańcuchy wymiarowe powinny więc pozostać otwarte, przy czym pomija się
wymiar najmniej ważny.

4. Zasada pomijania wymiarów oczywistych

Pomijanie wymiarów oczywistych dotyczy przede wszystkim wymiarów
kątowych, wynoszących 0

o

lub 90

o

, tj. odnoszących się do linii wzajemnie

równoległych lub prostopadłych.

Przykładowy zapis typowych postaci jako elementu postaci konstrukcyjnej: a)

walca,

b) kuli, c) kwadratu, d) sześciokąta.

Wymiarowanie: a) wewnątrz zarysu przedmiotu, b) na zewnątrz zarysu

przedmiotu, przy użyciu linii pomocniczych wymiarowych.

Umieszczanie liczb wymiarowych: a), b) nad linią wymiarową,
c) nad przedłużeniem linii wymiarowej d), e) częściowo nad liniami
odniesienia

Rozmieszczenie wymiarów równoległych: a) błędne, b) prawidłowe.

a

Wymiarowanie: a) widoku (nie zalecanie), b) przekroju (zalecane)

a)

b)

Łańcuchy wymiarowe: a), b) proste, c) złożony

Przykład przedstawienia drobnych szczegółów

Wymiarowanie ścięć krawędzi: a)-d) wykonywanych pod kątem 45°,
e) ,f) wykonywanych pod innym kątem

Wymiarowanie promieni

Wymiarowanie małych promieni i promieni o wspólnym środku

Wymiarowanie średnic

Wymiarowanie średnic przy użyciu linii wymiarowych z jedną strzałką

Wymiarowanie średnic przy użyciu linii wymiarowych z jedną strzałką

Wymiarowanie średnic fragmentów powierzchni obrotowych

Wymiarowanie średnic na

półwidoku

Wymiarowanie średnicy i promienia kuli

Zbieżność

a) W przypadku stożka- tj. stosunek różnicy średnic d i d

1

na jego końcach

do jego długości.

b) W przypadku ostrosłupa foremnego lub klina symetrycznego- tj. stosunek
różnicy wymiarów d i d

1

ścian zbieżnych na ich końcach do wysokości lub

długości l

a) b)

Zbieżność
:

Przykłady wymiarowania zbieżności

Pochylenie

a )w przypadku stożka- stosunek różnicy promieni d/2 i d

1

/2 na jego końcach do

długości l

b) w przypadku ostrosłupa foremnego lub klina symetrycznego- stosunek
odległości d/2 i d

1

/2 między powierzchniami zbieżnymi i osią do długości l

c) w przypadku klina niesymetrycznego- stosunek różnicy odległości d/2 i d

1

/2

ściany pochylonej od podstawy klina do jego długości l

Przykłady wymiarowania pochylenia