POLITECHNIKA ÅšWITOKRZYSKA W KIELCACH
WYDZIAA MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN
KATEDRA PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN
Zasady konstruowania części maszyn:
zasady i pojęcia ogólne, klasyfikacja i cechy
użytkowe części maszyn, normalizacja części
maszyn, zasady obliczania wytrzymałości części
maszyn
Marcin Graba
wykład z przedmiotów: Podstawy Konstrukcji Maszyn, Podstawy Projektowania Inżynierskiego, Podstawy
Projektowania; studia stacjonarne i niestacjonarne; kierunki: MiBM, AiR, Transport, Inżynieria Bezpieczeństwa,
Zarządzanie i Inżynieria Produkcji, Energetyka
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Literatura wykorzystana do przygotowania wykładu
" Budynas R.G., Nisbett J.K., "Shigley s Mechanical Engineering Design", 8th edition in SI units, McGraw Hill, Printed in Singapore 2008.
" Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania , WNT, Warszawa 2002
" Dobrzański T., "Rysunek Techniczny Maszynowy", WNT Warszawa 2002.
" Drewniak J., "Zbiór zadań z podstaw konstrukcji maszyn z rozwiązaniami - część 1", Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 2000.
" Drewniak J., "Zbiór zadań z podstaw konstrukcji maszyn z rozwiązaniami - część 2", Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 2000.
" Dziurski A., Kania L., Kasprzycki A., Mazanek E., Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn - tom 1: połączenia, sprężyny, zawory, wały maszynowe , praca
zbiorowa pod redakcjÄ… E. Mazanka, WNT, Warszawa 2005
" Dziurski A., Kania L., Kasprzycki A., Mazanek E., Ziora J., Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn - tom 2: łożyska, sprzęgła i hamulce , praca zbiorowa pod
redakcjÄ… E. Mazanka, WNT, Warszawa 2005
" Ferenc K, Ferenc J., "Konstrukcje spawane. Połączenia". WNT, 2006.
" Graba M., Elementy zapisu konstrukcji , materiały pomocnicze i informacyjne, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce 2004
" Hibbeler R.C., "Engineering Mechanics - Statics, 12th edition", Published by Pearson Prentice Hall, New Jersey 2009.
" Knosala R., Gwiazda A., Baier A., Gendarz P., Podstawy konstrukcji maszyn - przykłady obliczeń , WNT, Warszawa 2000
" Kocańda S., Szala J., Podstawy obliczeń zmęczeniowych , PWN, Warszawa 1997
" Kurmaz L.W., Kurmaz O. L.,: Projektowanie węzłów i części maszyn , podręcznik, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce 2007
" Neimitz A., Dzioba I., Graba M., Okrajni J., "Ocena wytrzymałości, trwałości i bezpieczeństwa pracy elementów konstrukcyjnych zawierających defekty", podręcznik
akademicki, Wydawnictwo PÅšk, 2008, 438 stron.
" Niezgodziński M.E., Niezgodziński T., "Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe", PWN 1977
" Norton R.L., "Machine Design. an Integrated Approach", third Edition, Pearson International Edition, Prinited in USA, 2006.
" Orlik Z., Surowiak W., Części maszyn - cz. , Państwowe Wydawnictwa Szkolnictwa Zawodowego, Bytom 1973
" Orlik Z., Surowiak W., Części maszyn - cz. , Państwowe Wydawnictwa Szkolnictwa Zawodowego, Bytom 1973
" Osiński Z., Bajon W., Szucki T., Podstawy Konstrukcji Maszyn , PWN, Warszawa 1978
" Potrykus J. (red.), Poradnik mechanika , Wydawnictwo REA, Warszawa 2009
" Potyński A., Podstawy technologii i konstrukcji mechanicznych , WSiP, Warszawa 1995
" Praca zbiorowa pod red. M. Dietricha, Podstawy konstrukcji maszyn - tom 1, , WNT, Warszawa 1999
" Praca zbiorowa, "Poradnik mechanika tom I-II", WNT, Warszawa 1999.
" Rutkowski A., Części maszyn , WSiP, Warszawa 1986
" Rutkowski A., Stępniewska A., Zbiór zadań z części maszyn , WSiP, Warszawa 1984
" Skoć A., Spałek J., Podstawy konstrukcji Maszyn - tom 1: obliczenia konstrukcyjne, tolerancje i pasowana, połączenia , WNT, Warszawa 2006
" Skoć A., Spałek J., Podstawy konstrukcji Maszyn - tom 2: zasady dynamiki i tribologii, elementy podatne, wały i osie maszynowe, łożyska ślizgowe i toczne, sprzęgła i
hamulce , WNT, Warszawa 2006
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
Przedmiot Podstawy Konstrukcji Maszyn (PKM) to interdyscyplinarna
dziedzina naukowa w obszarze inżynierii mechanicznej, a przede
wszystkim w obszarze budowy maszyn. Powstanie tej samodzielnej
dziedziny wynikało z faktu rozwoju metod projektowania i konstruowania
obiektów mechanicznych i ich elementów, a także z potrzeby
wzbogacenia treści ujmowanych w klasycznym wykładzie Części
Maszyn i Elementów Maszyn. Rozwijały się metody projektowania
zarówno w fazach powstawania i istnienia danego obiektu, ale również
w fazach wytwarzania i eksploatacji.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
Istota merytoryczna przedmiotu PKM polega na wykorzystaniu wiedzy z
zakresu nauk ogólnych (matematyka, fizyka, chemia itp.) oraz
podstawowych technicznych (mechanika stosowana, termodynamika,
mechanika płynów, wytrzymałość materiałów, materiałoznawstwo,
informatyka itp.) i uporządkowaniu jej w taki sposób, a by w procesie
projektowania uzyskać możliwie najlepsze rozwiązanie konstrukcyjne
lub ogólniej optymalną konstrukcję.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
Pod pojęciem konstrukcji rozumieć należy optymalnie uporządkowaną
graficznÄ… lub analitycznÄ… strukturÄ™ odwzorowujÄ…cÄ… projektowany obiekt
techniczny, np. maszynÄ™ czy urzÄ…dzenie mechaniczne.
Według profesora Dietrycha, maszyna to wytwór wykonujący pożądane
działanie dzięki energii dostarczonej z zewnątrz. W definicji tej wytwór
jest rozumiany jako układ materialny, a pożądane działanie polega na
przekształceniu jednej postaci energii w drugą. Dlatego w zależności od
form przekształcenia energii, można wyróżnić silniki i maszyny
robocze.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
Podział maszyn roboczych
" maszyny technologiczne, służące do przetwarzania surowców lub
materiałów w produkty gotowe; do tej grupy zalicza się obrabiarki,
maszyny górnicze, maszyny budowlane, maszyny drogowe,
maszyny rolnicze itp.;
" maszyny energetyczne, dokonujÄ…ce przetworzenia energii; do tej
grupy zalicza się sprężarki, pompy, turbiny itp.;
" maszyny transportowe, służące do przemieszczania materiałów,
przedmiotów czy ludzi; do tej grupy zalicza się pojazdy
samochodowe i szynowe, statki powietrzne, okręty, przenośniki,
dzwignice itp.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
Główne zasady uwzględniane w projektowaniu
" zasadę funkcjonalności (czyli zasadę dobroci konstrukcji) , która
mówi o tym, że konstrukcja musi spełniać wszystkie sformułowane
podstawowe warunki projektowe w stopniu równym lub wyższym od
założonych;
" zasadę optymalności, która determinuje uzyskanie w procesie
projektowania konstrukcji optymalnej ze względu na przyjęte kryteria,
np.: niezawodność, wytrzymałość, trwałość, sprawność,
technologiczność, ergonomiczność, kryteria ekologiczne.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Skład dokumentacji technicznych
" dokumentacja konstrukcyjna, obejmujÄ…ca dokumenty zwiÄ…zane z
konstrukcjÄ… (budowÄ…, postaciÄ… geometrycznÄ…) projektowanego
wyrobu (rysunki, obliczenia, opisy, schematy pomocnicze itp.),
" dokumentacja technologiczna, określająca technologię wykonania
poszczególnych części i ich montażu.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Podział maszyny na zespoły i części
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Podstawowe zasady konstruowania
" przystosowanie maszyny do określonych zadań eksploatacyjnych,
" niezawodność i trwałość,
" łatwy montaż i demontaż,
" mały ciężar i wymiary gabarytowe,
" bezpieczeństwo produkcji, transportu i eksploatacji,
" ergonomiczność konstrukcji,
" możliwość stosowania prostych procesów technologicznych zarówno w
produkcji części, jak i w ich montażu,
" niskie koszty materiałów, produkcji i eksploatacji,
" estetykÄ™ projektowanej maszyny,
" inne warunki, zależne m.in. od rodzaju maszyny i jej przeznaczenia.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Podział części maszyn na trzy zasadnicze grupy:
" części połączeń,
" łożyskowania,
" części napędów.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Elementy łożyskowania i części napędów
Elementami łożyskowania są osie lub wały i łożyska.
Części napędów to przekładnie zębate (walcowe, stożkowe, ślimakowe,
obiegowe) cięgnowe, cierne oraz mechanizmy śrubowe, dzwigniowe itd.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Połączenie - definicja, wyjaśnienie
Połączeniem (złączem) nazywa się fragment konstrukcji, w którym
części łączone są powiązane za pomocą łączników, tworząc połączenie
pośrednie. Aącznikami zapewniającymi łatwą rozłączność połączenia
(mówi się wtedy o połączeniach rozłącznych) mogą być śruby, wkręty,
wpusty, wielowypusty itp.
Funkcje łączników spełniają także spoiny, zgrzeiny itd., jednakże
połączenie takie określa się mianem połączenia nierozłącznego.
Stosowane są również połączenia bezpośrednie (bez łączników), np.
połączenia kształtowe lub wciskowe.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Połączenie - definicja, wyjaśnienie
Połączenia dzieli się ponadto na połączenia spoczynkowe, w których
części łączone są nieruchome względem siebie (np. połączenia nitowe,
spawane), oraz połączenia ruchowe, w których jedna część może
przesuwać się względem drugiej (np. połączenia wielowypustowe).
Połączenia spoczynkowe można podzielić na rozłączne (np. gwintowe,
kołkowe) oraz nierozłączne, których rozłączenie jest możliwe tylko przez
zniszczenie łącznika lub części łączonych, o czym wspominano już
powyżej.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Cechy użytkowe części maszyn
Cechy Ich znaczenie użytkowe
wytrzymałościowe wytrzymałość mechaniczna, sztywność i trwałość konstruowanych części
materiałowe własności wytrzymałościowe, łatwa obrabialność, odporność na korozję i inne
czynniki, odporność na zmiany temperatury w czasie pracy, łatwość nabycia,
stosowanie wąskiego asortymentu materiałów (np. stal) itd.
technologiczne łatwość wykonania, możliwość stosowania prostych procesów technologicznych o
małej pracochłonności itp.
montażowe łatwość montażu i demontażu oraz napraw i wymiany uszkodzonych elementów;
zamienność części
eksploatacyjne niezawodność i bezpieczeństwo działania, łatwość obsługi, cicha praca itd.
ekonomiczne niski koszt materiału, produkcji i eksploatacji
estetyczne prostota i estetyka kształtu, dostosowanie wykończenia powierzchni do warunków
użytkowania itp.
inne mały ciężar i wymiary, szczelność połączeń, łatwość i bezpieczeństwo transportu.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Normalizacja części maszyn
Normalizacja jest opracowywaniem i wprowadzaniem jednolitych norm.
Normalizacja w technice ma na celu uporzÄ…dkowanie, 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, staliw, żeliw, stopów metali kolorowych,
tworzyw sztucznych, kompozytów itp),
" gotowych wyrobów, w tym zarówno części maszyn (np. nitów, śrub,
wpustów), jak i zespołów (sprzęgieł, przekładni zębatych i innych),
niektórych metod badawczych,
" warunków odbioru technicznego, konserwacji, transportu itp.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Normalizacja części maszyn
Stosowanie elementów znormalizowanych powoduje obniżenie kosztów
wytwarzania oraz eksploatacji maszyn i urządzeń, a także ułatwienie
prac projektowych na etapie konstruowania, ponieważ:
" elementy znormalizowane (części, zespoły) mogą być produkowane w
wyspecjalizowanych zakładach wielkoseryjnie lub masowo, przy
zastosowaniu wysoko wydajnych metod produkcji;
" jest możliwe wprowadzanie 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; zmniejsza się w ten sposób liczba rysunków składających się
na dokumentację konstrukcyjną poszczególnych maszyn i urządzeń.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Podstawowe zagadnienia eksploatacji
maszyn i urządzeń - zasady i pojęcia ogólne
Normalizacja części maszyn
W przemyśle maszynowym w każdej maszynie występuje przeciętnie:
" 30÷50% części znormalizowanych (wg PN, BN, ISO),
" 30÷40% części nadajÄ…cych siÄ™ do ujednolicenia (np. części o
podobnych kształtach),
" 10÷30% części specjalnych.
Wprowadzając w szerokim zakresie części znormalizowane, można w
efekcie zyskać dość znaczne obniżenie kosztów produkcji.
NormÄ… technicznÄ… nazywa siÄ™ powszechnie obowiÄ…zujÄ…cy w kraju
dokument techniczno-prawny, określający właściwości (np. materiałów),
cechy wyrobów (np. kształty, wymiary, parametry) itp.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
" określenie rodzajów obciążeń,
" przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych z wykorzystaniem
odpowiednich wzorów,
" określenie naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych,
" określenie dopuszczalnych nacisków powierzchniowych,
" określenie naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach zmiennych.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Rodzaje obciążeń
" stałe (statyczne, niezmienne, trwałe), których wartość i kierunek są
niezmienne w ciągu dość długiego czasu pracy;
" zmienne, o różnym charakterze zmienności w czasie pracy;
" obciążenia nieustalone, które można ewentualnie przyrównać do
zbliżonych obciążeń zmiennych.
Wśród obciążeń zmiennych wyróżnia się obciążenia okresowe, najczęściej
szybkozmienne, jako typowe obciążenia pracujących części maszyn. Należą do nich
obciążenia:
" wahadłowe, przy których bezwzględne wartości Fmax oraz Fmin są sobie równe
przykładem może tu być obciążenie tłoczyska w pompach tłokowych obustronnego
działania, obciążenie wałów itd.;
" tętniące odzerowo, przy których w każdym cyklu pracy Fmin (względnie Fmax) jest
równa zero; przykładem może tu być obciążenie zębów w kołach zębatych itd.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Rodzaje obciążeń
Rodzaje cykli obciążeń i naprężeń: a) stały; b) jednostronnie zmienny
(1 - tętniący odzerowo, 2 - tętniący jednostronny).
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Rodzaje obciążeń
Rodzaje cykli obciążeń i naprężeń: c) obustronnie zmienny
(3 - wahadłowy symetryczny, 4 - dwustronny niesymetryczny);
d) nieustalony, T - okres (cykl zmiany obciążeń i naprężeń) .
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Struktura procesów obciążenia eksploatacyjnego maszyn
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obliczenia wytrzymałościowe
Obliczenia wytrzymałości części maszyn wykonuje się w zasadzie na każdym
etapie życia części lub elementu maszyn: na etapie projektowania,
wytwarzania, kontroli jakości, eksploatacji oraz badań kontrolnych.
Prowadząc obliczenia wytrzymałościowe na etapie projektowania nowych
konstrukcji, wykonuje się je w celu ustalenia optymalnych wymiarów części.
Jeżeli jednak kształt i wymiary części są ustalone na podstawie wymagań
konstrukcyjno-technologicznych, wówczas obliczenia te mają na celu
sprawdzenie nośności odpowiednich części.
Wykonując obliczenia podczas badań kontrolnych części pracujących, z reguły
wiadomo jest wcześniej o wystąpieniu zmiany obciążenia (może to być zmiana
rodzaju lub wartości obciążenia) albo przy ustalaniu przyczyn zniszczenia
części.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obliczenia wytrzymałościowe
Obliczenia wytrzymałościowe wykonuje się na podstawie warunku: naprężenia
rzeczywiste muszą być mniejsze od naprężeń dopuszczalnych lub najwyżej im
równe:
F M
(Ã lub Ä lub p) = d" k (Ã lub Ä) = d" k
S W
à - naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu zwykle podawane w [Pa] lub [MPa];
Ä - naprężenia rzeczywiste styczne przy Å›cinaniu i skrÄ™caniu, zwykle podawane w [Pa] lub [MPa];
p - naciski powierzchniowe, zwykle podawane w [Pa] lub [MPa];
F - obciążenia rozciągające, ściskające lub ścinające, zwykle podawane w [N] lub [kN];
S - pole powierzchni przekroju narażonego na zniszczenie lub pole powierzchni nacisku, zwykle podawane w [m2]
lub [mm2];
M - obciążenie momentem (przy zginaniu momentem gnącym oznaczanym jako Mg, a przy skręcaniu momentem
skrÄ™cajÄ…cym oznaczanym jako Ms), zwykle podawane w [NÅ"m] lub [kNÅ"m];
W - wskaznik wytrzymałości przekroju narażonego na zniszczenie (przy zginaniu oznaczanym jako Wx, a przy
skręcaniu oznaczanym jako W0), zwykle podawany w [m3] lub [mm3];
k - naprężenia lub naciski dopuszczalne, zwykle podawane w [Pa] lub [MPa].
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obliczenia wytrzymałościowe
W celu odróżniania naprężeń odpowiadających poszczególnym rodzajom
obciążeń, przy symbolach naprężeń podaje się następujące wskazniki, często
określane mianem indeksów: dla rozciągania - r, dla ściskania - c, dla ścinania -
t, dla zginania - g, dla skrÄ™cania - s (co przykÅ‚adowo można zapisać jako: Ãg, Äs,
kr, kc itd.). W przypadku naprężeń wywołanych obciążeniami zmiennymi w
zapisie symbolowym umieszcza się także drugi wskaznik (czyli indeks): j -
charakterystyczny dla obciążeń tętniących, czyli jednostronnie zmiennych,
o - charakterystyczny dla obciążeń wahadłowych, czyli obustronnie zmiennych
(przykładowo można to zapisać jako: krj, kgj, kso. Przy obciążeniach
rozciągająco - ściskających, opisując naprężenia dopuszczalne, należy
dokonać połączenia wskazników r i c - w efekcie otrzyma się zapis krc.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obliczenia wytrzymałościowe
Dla złożonych stanów naprężeń, należy wyznaczyć naprężenia
zastÄ™pcze Ãz wedÅ‚ug nastÄ™pujÄ…cych wzorów:
2
2
à = à + à < kr
à = à + (Ä… Å"Ä ) d" kg
z r g
z g s
(lub krj lub kro) (lub kgj lub kgo)
Wzór po lewej stronie znajduje zastosowanie przy naprężeniach o tym samym kierunku
(w stosunku do przekroju pracującego), natomiast wzór po prawej stronie, oparty jest na
hipotezie wytrzymałościowej Hubera (Hubera-Mises-Henckyego) i ma zastosowanie w
przypadku naprężeń o różnych kierunkach (np. przy jednoczesnym zginaniu i
skręcaniu). We wzorze po prawej stronie współczynnik ą określa stosunek naprężeń
kgo
dopuszczalnych normalnych do stycznych, np. kr
Ä… = Ä… =
ks ksj
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Kryteria wytrzymałościowe stosowane w obliczeniach
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Kryteria wytrzymałościowe stosowane w obliczeniach
Kryteria stosowane w obliczeniach wytrzymałościowych wynikają z
możliwych do wystąpienia, najbardziej prawdopodobnych w danej
sytuacji procesów niszczących lub przekroczeń stanów granicznych,
zagrażających maszynie lub bezpieczeństwie otoczenia.
Wykorzystywane w procesie projektowania kryteria, wpływające na
postać konstrukcyjną elementów maszyn i urządzeń, dzielą się na :
" kryteria wytrzymałościowe,
" kryteria tribologiczne,
" kryteria termiczne,
" kryteria korozyjne,
" kryteria wymuszeń dynamicznych,
" kryterium dotyczące tłumień drgań oraz hałasu .
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - definicja
Obciążenia statyczne to obciążenia stałe, nie zmieniające się w czasie.
Obliczenia wytrzymałościowe przy obciążeniach statycznych wykonuje
się przez porównanie naprężeń rzeczywistych w najbardziej
obciążonych przekrojach elementu z naprężeniami dopuszczanymi. Pod
pojęciem naprężeń dopuszczalnych należy rozumieć naprężenia, które
mogą wystąpić w materiale bez obawy naruszenia warunku
wytrzymałości i warunku sztywności.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - charakterysyka materiału
Wartości naprężeń dopuszczalnych ustala się głównie w zależności od
własności materiałów i charakteru obciążenia. Najbardziej ogólny podział, dzieli
materiały konstrukcyjne na plastyczne i kruche. Dla większości materiałów w
normach (PN lub PN-ISO) jako podstawowe własności wytrzymałościowe są
podawane dwie stałe materiałowe: minimalna wytrzymałość na rozciąganie,
nazywana także wytrzymałością dorazną, którą oznacza się jako Rm_min oraz
minimalna granica plastyczności, oznaczana jako Re_min, bez względu na fakt,
materiał charakteryzuje się umowną bądz wyrazną granicą plastyczności.
Wytrzymałość dorazną z reguły podaje się zarówno dla materiałów kruchych
jak i plastycznych, natomiast granicę plastyczności podaje się jedynie dla
materiałów plastycznych.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - naprężenia dopuszczalne
W zależności od typu materiału (kruchy czy plastyczny), w różny sposób przyjmuj się
podstawę doboru naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych. Dla materiałów
plastycznych (np. stali), podstawą do określenia naprężeń dopuszczalnych jest granica
plastyczności Re, natomiast dla materiałów kruchych (np. żeliwa), podstawą do
określenia naprężeń dopuszczalnych jest wytrzymałość dorazna Rm. Przy
poszczególnych rodzajach obciążeń jako podstawę doboru naprężeń dopuszczalnych
można przyjmować odpowiednie specyficzne własności, np. wytrzymałość (dorazną)
przy ścinaniu, oznaczaną jako Rt, granicę plastyczności przy zginaniu, oznaczaną jako
Reg itd. Zaznaczyć należy, że w przypadku rozciągania i ściskania, umowne granice
plastyczności odpowiadają trwałemu odkształceniu równemu 0.2%, natomiast w
przypadku ścinania i skręcania, umowne granice plastyczności odpowiadają
odkształceniu trwałemu równemu 0.3%.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - naprężenia dopuszczalne
Re Rm
k = k =
xe xm
dla materiałów plastycznych dla materiałów kruchych
gdzie xe jest współczynnikiem bezpieczeństwa dla materiałów plastycznych,
xm jest współczynnikiem bezpieczeństwa dla materiałów kruchych
Wartości przyjmowanych współczynników bezpieczeństwa należy uzależniać od
przeznaczenia konstrukcji lub urządzenia, oceniając możliwość wystąpienia
nieprzewidzianego wzrostu obciążenia części, stopień odpowiedzialności" konstrukcji lub
urządzenia, charakterystykę materiału itd. Określając wartość współczynnika bezpieczeństwa
należy także brać pod uwagę fakt zmniejszenia granicy plastyczności i wytrzymałości na
rozciąganie przy wzroście wymiarów geometrycznych (zwłaszcza grubości elementu
konstrukcyjnego, czemu zawsze towarzyszy spadek odporności materiału na pękanie).
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - naprężenia dopuszczalne
Rodzaj obciążenia Zależność Rodzaj obciążenia Zależność
M
F
r g
à = d" kr
à = d" kg
rozciÄ…ganie zginanie
r
g
S0
Wx
Fc
M
s
Ãc = d" kc
Äs = d" ks
ściskanie
skręcania
S0
W0
Ft
F
w
Ät = d" kt
Ãw = d" ² Å" kc
ścinanie
wyboczenie
S0
S0
Fo
p = d" ko
nacisk powierzchniowy
S1
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - wartości współczynników
bezpieczeństwa
Materiał xe xm xz
stale, staliwa, żeliwo ciÄ…gliwe 2.0 ÷ 2.3 --- 3.5 ÷ 4.0
żeliwa szare --- 3.5 3.0
stopy miedzi 3.0 ÷ 4.0 --- 4.5 ÷ 6.0
stopy aluminium 3.5 ÷ 4.0 --- 5.0 ÷ 7.0
materiaÅ‚y ceramiczne --- 4.0 ÷ 7.0 ---
drewno --- 8.0 ÷ 12.0 ---
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia statyczne - obliczanie wartości naprężeń
dopuszczalnych
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia zmienne - definicja
Doświadczenia wyniesione z użytkowania maszyn i urządzeń wskazuje, że wszystkie metale
są mniej wytrzymałe w przypadku obciążeń zmiennych niż przy obciążeniach statycznych.
Części maszyn poddane obciążeniom zmiennym (tętniącym, wahadłowym lub o nie
ustalonym przebiegu) wykazują znacznie niższą wytrzymałość niż przy obciążeniach stałych.
Proces zmian występujący w materiale pod wpływem zmiennych obciążeń i wywołanych nimi
zmiennych naprężeń nosi nazwę zmęczenia materiału.
W elementach obciążonych statycznie najbardziej niebezpiecznym miejscem przy danym
obciążeniu jest przekrój o najmniejszym polu lub wskazniku wytrzymałości. W elementach
obciążonych zmiennie, ognisko zniszczenia może wcale nie znajdować się w przekroju
najsłabszym. W zasadzie występuje ono w miejscu największego spiętrzenia naprężeń, co w
zmęczeniu materiałów określa się mianem obszaru tzw., karbu. Okazuje się więc, że przy
analizie elementów konstrukcyjnych poddanych obciążeniom zmiennym, podstawową rolę
odgrywa kształt elementu.
Na zmęczenie wrażliwe są twarde stale węglowe, stale stopowe i większość stopów lekkich.
Mniej wrażliwe są miękkie stale stopowe, żeliwa oraz silumin.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia zmienne definicja, granica zmęczenia
W przypadku obciążeń okresowo zmiennych dla każdego materiału należy
ustalić doświadczalnie wartość największych naprężeń, przy których badane
próbki nie ulegają zniszczeniu w ciągu określonej liczby zmian obciążenia i
wywołanych nimi naprężeń. Wartość tych naprężeń nazywa się ogólnie granicą
zmęczenia lub wytrzymałością zmęczeniową. W zależności od rodzaju
obciążenia, granicę zmęczenia oznacza się następująco:
" Zgo , Zrc, Zso - granice zmęczenia przy obciążeniach działających w cyklu
wahadłowym,
" Zgj, Zrj, Zcj, Zsj - granice zmęczenia przy obciążeniach działających w cyklu
odzerowo tętniącym,
" Zg, Zr, Zc, Zs - granice zmęczenia przy obciążeniach działających w
dowolnym, jednoznacznie określonym cyklu niesymetrycznym.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia zmienne - naprężenia dopuszczalne
Wartość naprężeń dopuszczalnych w przypadku obciążeń okresowo
zmiennych wyznacza się po przyjęciu za podstawę (wartość
odniesienia) odpowiednią wytrzymałość zmęczeniową, wykorzystując
wzór postaci:
Z
k =
xz
gdzie xz jest współczynnikiem bezpieczeństwa przy obciążeniach
zmiennych.
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
ZASADY KONSTRUOWANIA CZÅšCI MASZYN ...
Zasady obliczania wytrzymałości części maszyn
Obciążenia zmienne - określenie wytrzymałości
zmęczeniowej podstawowych materiałów konstrukcyjnych
Rodzaj
Symbol Stale, staliwa Żeliwa szare Stopy miedzi Stopy aluminium
obciążenia
(0.55÷0.63)Å"Rm
Zrj ~ 1.50Å"Zrc Å›rednio 0.50Å"Rm Å›rednio 0.48Å"Rm
Å›rednio 0.59Å"Rm
rozciÄ…ganie,
(0.28÷0.40)Å"Rm Å›rednio
Å›ciskanie Zrc Å›rednio 0.28Å"Rm 0.70Å"Zgo H" 0.25Å"Rm
Å›rednio 0.33Å"Rm 0.70Å"Zgo
Zcj Zrj (3.40÷4.00)Å"Zrj Zrj Zrj
(0.66÷0.75)Å"Rm
Zgj ~ 1.50Å"Zgo ~ 1.80Å"Zgo ~ 1.80Å"Zgo
Å›rednio 0.70Å"Rm
zginanie
średnio
Zgo Å›rednio 0.45Å"Rm Å›rednio 0.35Å"Rm Å›rednio 0.35Å"Rm
0.40Å"Rm
(0.46÷0.50)Å"Rm
Zsj ~ 1.50Å"Zso ~ 1.70Å"Zso ~ 1.70Å"Zso
Å›rednio 0.48Å"Rm
skręcanie,
ścinanie
(0.22÷0.25)Å"Rm
Zso ~ 0.80Å"Zgo ~ 0.58Å"Zgo ~ 0.56Å"Zgo
Å›rednio 0.25Å"Rm
www.tu.kielce.pl/~mgraba © Copyright by Marcin Graba, Kielce, 2012
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
PKM wyklad wytrzymalosc zmeczeniowo ksztaltowa czesci maszynZarządzanie Wiedzą2 Ogólne zasady oceny zgodności maszynPKM wyklad polaczenia spajane spawane i zgrzewaneZIO wykladlaboratorium zasady zaliczeniaPKM wyklaD wykresy rozciagania3 1 zasady konstruowania tablicPKM wyklad polaczenia nitoweprawo ustrojowe ue wyklad zasady 2014Stosowanie podstawowych technik wytwarzania części maszyn(1)Części maszyn pytaniaNotatki z wykładu Budownictwo Konstrukcje betonowe sem505 Projektowanie części maszyn i połączeńidX0915 Wykonywanie części maszyn w procesach odlewaniawięcej podobnych podstron