Zagadnienia egzaminacyjne z Podstaw Konstrukcji Maszyn cz. I

dla kierunku Mechanika i budowa maszyn

Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej

Wymagane umiejętności:

• opisowego,

• matematycznego (wraz z obliczaniem zadań),

• rysunkowego (schematycznie i dokładnie)

przedstawienia zagadnień teoretycznych i konstrukcyjnych.

Zagadnienia:

1. Wprowadzenie do konstruowania maszyn: projektowanie, konstruowanie, struktura procesu projektowego, rozwój dziedziny PKM.

Projektowanie- proces w którym z reguły uczestniczy wielu projektantów, składa się z etapów:

-etap założeń ( formułowane są podstawowe funkcje i założenia techniczno- ekonomiczne projektowanego obiektu)

-etap projektowania wstępnego ( powstaje koncepcja projektu)

-etap projektowania szczegółowego ( którego efektem jest projekt zapisany w postaci dokumentacji projektowej)

Konstruowanie- rodzaj projektowania, dokładnie projektowanie maszyn. Dopełnienie abstrakcyjnego projektu o wszystkie niezbędne cechy konstrukcyjne (geometryczne, materiałowe, itp.) w celu przygotowanie dokumentacji technicznej

struktury procesu projektowania:

-sformulowanie problemu- jednoznaczne określenie problemu i ostatecznego celu, problem formułujemy ogolnie i jak najszerzej, z użyciem czasownika, opisujemy dwa stany przed i po zaspokojeniu potrzeby.

-analiza problemu- opis

1. Obciążenie w maszynach: uszkodzenia, postacie uszkodzeń, obciążenia, podział obciążeń i ich charakterystyka, źródła obciążeń dla przykładowych obiektów technicznych.

Uszkodzenie- część może ulec uszkodzeniu lub zniszczeniu pod wpływem Czynników zew.: obciążenia mechaniczne, chemiczne, cieplne. Uszkodzenie części wyklucza dalszą jej eksploatacje. Uszkodzenie może nastąpić po jednorazowym przekroczeniu wartości granicznej lub po wielokrotnym przekroczeniu, pewnego poziomu naprężeń „zmęczenie”

Postacie uszkodzeń: zniszczenie części przez jej: zerwanie, pękniecie, złamanie itp. Odkształcenia plastyczne trwale, odkształcenia sprężyste, zużycie powierzchni, rozgrzanie powoduje zmianę struktury wew., korozja

Obciążenia: siły zew. Działające na daną część.

Podział obciążeń i ich charakterystyka

- Obciążenia stałe(nie ulegają zmianą podczas dostatecznie długiego czasu pracy maszyny) lub

-obciążenia zmienne ( zmieniające się w czasie, charakter tej zmienności może być różnorodny)

-obciążenia okresowe szybko zmienne (jednostronnie zmienne, wartość obciążenia podczas jednego okresu zmienia się od 0 do wartości max, obustronnie zmienne- wartość zmienia się od pewnej wartości dodatniej do wartości ujemnej przy czym wartość bezwzgledna Pmin=Pmax)

-statyczne, dynamiczne, udarowe

1. Wytrzymałościowe podstawy konstruowania maszyn: rozciąganie obiektów, naprężenia dopuszczalne.

Naprężenia dopuszczalne: dla obciążeń stałych k=Q/Xq;gdzie: K- naprężenie dopuszczalne.Q-wartość granicy plastyczności, Xq-współczynnik bezpieczeństwa

Przy obciążeniach zmiennych K=Z/Xz; Z- wartość wytrzymałości zmęczeniowej

1. Teoria konstrukcji: proces projektowo-konstrukcyjny, zadania projektowe, rodzaje konstrukcji, zmienne opisujące konstrukcję, cechy konstrukcji, racje istnienia wytworów, kryteria oceny konstrukcji, maszyna, podział maszyn, maszyna jako system techniczny, model maszyny.

Proces projektowo konstrukcyjny- proces doboru cech konstrukcyjnych w oparciu o rację istnienia wyrobu z uwzględnieniem kryteriów konstrukcyjnych i zasad konstrukcji.

Cechy konstrukcji- geometryczne (obrazujące strukturę zew.: wymiary, dokładność, chropowatość), materiałowe opisujące strukturę wew.:(właściwości fizyczne, chemiczne, wytrzymałościowe), dynamiczne (opisujące oddziaływania wew. i zew.)

Racje istnienia wyrobu- techniczne (cel powstania wyrobu), technologiczne (jak wyrób powstaje), ekonomiczne (opłacalność projektu), Humano centryczne

Kryteria oceny konstrukcji: funkcjonaloność, niezawodność trwałość, sprawność, łatwość eksploatacji, ergonomiczność, estetyka, bezpieczeństwo, higiena, technologiczność

Maszyna: uładpowiązanych elementów z których przynajmniej jeden jest ruchomu , wraz z urządzeniami roboczymi, ukłądami sterowania, zasilania, które połączono dla przetwarzania , obrabiania, przemieszczania lub pakowania.

Podział maszyn : 1)silniki(zamiana energii na prace mechaniczna) 2)maszyny robocze(zmiana kształtu , stanu lub położenia materiału lub przedmiotu). Dzielą się na : 1)technologiczne(obrabiarki, maszyny górnicze) 2)transportowe(dźwignice, przenośniki) 3) energetyczne(pompy, sprężarki)

1. Zasady konstruowania: reguły i zasady tworzenia postaci konstrukcyjnej (Pahla i Beitza, Dietrycha, Osińskiego, Wróbla), technologiczność konstrukcji, dobór tworzywa konstrukcyjnego, materiały stosowane w budowie maszyn.

Zasady konstruowania:

• optymalnego stanu obciążenia(należy stosować proste stany obciążenia- rozciąg.,zginanie). Zastąpienie złożonych stanów obci. prostymi

• optymalnego tworzywa konstrukcyjnego- wybór tworzywa oparty jest na określonych zasadach masy, objetosci i kształtu. Dobor materiału na podstawie wskaź. mater.

• Optymalnej stateczności konstrukcyjnej- równowaga miedzy siłami i naprężeniami

• optymalnego stosunku wielkosci zwiazanych- sa to wielkosci, w ktorych wartość jednej cechy konstrukcyjnej wpływa na wartość drugiej. Stosunek wielkosci dobieramy tak aby wybór był optymalny.

Technologicznosc konstrukcji:

Zespół cech konstrukcyjnych określonego przedmiotu umożliwiających łatwe wykonanie go w danych warunkach produkcyjnych.

O technologiczności konstrukcji decydują informacje przekazywane wytwórcy przez konstruktora, głównie za pomocą rysunku technicznego. Informacje te dotyczą materiałów wyjściowych, ich wymiarów, rodzaju zastosowanych półfabrykatów, kształtu i wymiarów gotowych przedmiotów oraz ich dokładności, jakości powierzchni, twardości itp. Należy przewidzieć optymalny w danym przypadku materiał i proces technologiczny, jaki będzie zastosowany przy wytwarzaniu konstruowanego przedmiotu.

dobór tworzywa konstrukcyjnego:

• czynniki decydujące: celowość technologiczna, koszt, dostępność, cechy konstrukcyjne

Materiały stosowane w budowie maszyn:

- stale (weglowe, stopowe, niskoweglowe, narzedziowe, szybkotnace, wysokostopowe

• zeliwo

• aluminium i jej stopy

• miedz i jej stopy

• tworzywa sztuczne

1. Połączenia w budowie maszyn – definicja, funkcje, klasyfikacja ze wzgl. na różne kryteria, rodzaje połączeń.

Definicja- Połaczeniem nazywa sie fragment obiektu obejmujący obszar, w którym nastąpiło połączenie ze sobą 2 lub więcej elementów. W połączeniu rozróżnia się elementy łączące oraz łączniki (śruby,nity,wpusty, kołki). Połączenie może byc za pomoca łacznikow lub procesow technologicznych np. Spawanie.

Klasyfikacja i rodzaj: nierozłączne(podczas rozlaczania elementy laczace ulegaja zniszczeniu), rozłączne(nie ulegaja zniszczeniu), spoczynkowe( jedna czesc nie moze sie przemiescic wzgledem drugiej), ruchowe(moze sie przemieszczac); silami łaczacymi sa sily molekularne- spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie; polaczenia przenoszace obciazenia za pomoca sil tarcia- srubowe,nitowe, klinowe

1. Połączenia gwintowe: definicja, podział, geometria gwintu, normalizacja gwintów, normalizacja elementów połączeń, zabezpieczenia przed luzowaniem, układ sił w połączeniu gwintowym, tarcie, sprawność, wytrzymałość gwintu i śrub, różne przypadki obliczeń połączeń, przekładnie śruba – nakrętka i ich zastosowanie.

Samohamowność jest konieczna aby po podniesieniu skoku sama „nie opadała”.

Nakrętka – śruba – gwint w tym połączeniu powinien być samohamowny czyli spełniać warunek: gamma < p; gamma to kąt linii zwoju, p to kąt zastępczy tarcia.

Tarcie:

Nakrętka – obudowa – tarcie (+)

Łożysko – śruba (+)

Łożysko – obudowa (+)

Sworznie – belki – tarcie (-) (bo musimy wtedy przy podnoszeniu maszyny pokonać dodatkowy moment tarcia – włożyć więcej siły)

Zabezpieczenia przed luzowaniem:

1) Podkładki: zwykła i sprężająca – cierne

2) Zabezpieczenie wkrętu – cierne

3) Nakrętka z zawleczką – kształtowe

4) Nakrętka i przeciwnakrętka – kształtowe

5) Gwint - materiałowe

1. Połączenia nitowe: definicja, zastosowanie, cechy połączeń, nity, proces nitowania, rodzaje połączeń, zasady kształtowania połączeń, obciążenie złącza, obliczanie połączeń.

Definicja-uzyskuje sie przez wywiercenie w łączonych przedmiotach otworów a następnie założenie i zamknięcie nitów. Otwory na nity są wiercone lub przebijane. Łeb założonego nitu podbiera sie kształtowanym wspornikiem, a wolny koniec wystający z drugiej strony otworu zakuwa sie zakuwnikiem. Nity drobne zakuwa sie na zimno, nity normalne na zimno lub na goraco po podgrzeniu do temperatury pojawienia sie białego zaru. Po zanitowaniu łaczone elementy sa docisniete co pozwala za pomoca sily tarcia przeniesienie dzialajacej na polaczenie sily tnacej.

Zastosowanie: zbiorniki cisnieniowe, konstrukcje stalowe

Nity- za srednice nominalna uwaza sie srednice mierzona w odleglosci 5 mm od krawedzi lba.Nity roznia sie kształtem łba. Nity wytwarza sie z materialow plastycznych ksztaltowanych prasowaniem na zimno lub kucia na goraco. Material musi byc zblizony do materialu laczonego elementu.

Rodzaje polaczen:

-w zaleznosci od zastosowania: mocne(stosowane w konst. Stalowych), szczelne(zbiorniki niskoscienne), mocno-szczelne(zbiorniki cisnieniowe, kotly)

-w zaleznosci od konstr. Szwu nitu rozroznia sie polaczenia stykowe: zakladowe, nakladkowe, wielostykowe, teowe, katowe.

Obciazenie zlacza – gdy sila tnaca przekroczy wartosc sily tarcia, nity poddane sa obciazeniu scinajacemu.

Obliczenia polaczenia:

warunek wytrzymałościowy: F<= πd^2/4*mkn gdzie:m- liczba przekrojow, kn- naprezenie scinajace

1. Połączenia spawane: definicja, zastosowanie, cechy połączeń, metody spawania, materiały w procesie spawania, przekrój spoiny, kształtowanie połączeń, rodzaje złączy i spoin, geometria spoin, naprężenia w spoinach, obciążenie złącza, różne przypadki obliczeń połączeń, połączenia o złożonym stanie obciążenia.

2. Pozostałe połączenia spójnościowe: połączenia zgrzewane –

definicja- zgrzewanie to łączenie materiałów metalowych lub niemetalowych polegające na wytworzeniu na powierzchni styku wspólnych ziaren. Są one efektem dyfuzji i rekrystalizacji sąsiadujących materiałów łączonych elementów.

Klasyfikacja- 1. Przez podgrzanie - elektryczne (oporowe, iskrowe) - gazowe - termitowe - tarciowe

2. Bez podgrzania - zgniotowe - wybuchowe - ultradźwiękowe

Kształtowanie- (rys)

metody połączeń:

- zgrzewanie punktowe (rys)

-Zgrzewanie liniowe: (rys)

- mają kształt krążków. Obracają się one ruchem jednostajnym

- grubość łączonych blach 1,5 - 3mm

- zastosowanie wykonanie połączeń szczelnych z cienkiej blachy: rur ze szwem, pojemników,

Zgrzewanie tarciowe (rys)

- praca tarcia dociskanych i obracających sie powierzchni wyzwala ciepło, które powoduje zmiękczenie materiału.

- połączenie jest stosowane do czołowego łączenia wałków lub wałków i blach

Obliczenia połączeń zgrzewanych:

- w kształtowaniu szwu zgrzewanego złącza punktowego lub liniowego dązy się do równej wytrzymałości zgrzeiny ze względu na ścinanie blach łączonych ze względu na rozciąganie

Złącze punktowe: $\tau_{t} = \frac{Q}{\frac{\pi d^{2}}{4}n}$ Złącze liniowe: $\tau_{t} = \frac{Q}{\text{dl}} \leq k_{t}\ $ Łączone blachy: $\sigma_{r} = \ \frac{Q}{n\left( t - \text{ξd} \right)g} \leq \text{kr}$

połączenia lutowane –

definicja- łączenie stykających sie częsci metalowych za pomocą spoiwa zwanego lutem (roztopienie lutoiwa, nagrzanie warstw przypowierzchniowych łączonych metali, ich wzajemną dyfuzję oraz usztywnienie po zastygnięciu)

- Lut - metal lub stop o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych metali . Połączenie lutu z materiałem części łączonych nastepuje dzięki zjawisku kohezji i

dyfuzji

Proces lutowania: - lutowanie miękkie – temp. topnienia spoiwa poniżej 450 C (połączenia obciażone niewielkimi siłami, połączenia szczelne, połączenia elektryczne)

- lutowanie twarde - temperatura topienia spoiwa powyżej 450 C (połączenia o większej wytrzymałości lub pracujacych w wyższych temperaturach. Lutowanie twarde umożliwia łączenie kształtowników, blach, innych części mechanizmów, itd.)

kształtowanie połączeń lutowanych: (rysunki)

Lutowanie twarde: - spoina powinna przenosić obciązenia tnące

- dopuszczalne naprężenia tnące spoiny dla obciążeń statycznych k_t = 20 − 40 MPa, a wyjątkowo dla lutów srebrnych k_t = 80 MPa, (czyli R_t = 100 − 250 MPa)

- zalecana szerokość spoiny od 0,05 mm do 0,3 mm

- należy stosować spoiwa srebrne, miedziane, mosiężne, brązowe i niklowe.

*Lutowanie miekkie: - części należy łączyć kształtowo a spajanie powinno je tylko unieruchamiać,

- spoina powinna pracować na ścinanie a nie na rozciąganie (odrywanie)

- połączeń nie można lakierować na gorąco ani pokrywać galwanicznie

- dopuszczalne naprężeni tnące spoiny nie większe niż k_t = 5 − 25 MPa

- zalecana szerokość spoiny w zakresie 0,07 do 0,15 mm

1. Połączenia kształtowe wału z piastą: definicje, charakterystyka, klasyfikacja; połączenia wpustowe – budowa, obliczenia, kształtowanie; połączenia wielowypustowe – budowa, rodzaje, współpraca elementów, obliczenia, charakterystyka, kształtowanie.

2. Pozostałe połączenia kształtowe: połączenia kołkowe – zadania, definicje, rodzaje kołków i połączeń, kształtowanie połączeń, obliczenia; połączenia sworzniowe – zastosowanie, definicje, rodzaje sworzni, obliczenia; połączenia klinowe – budowa, rodzaje klinów i połączeń, obciążenie elementów połączeń, charakterystyka.

3. Połączenia cierne:

definicje,

Połączenie cierne - stałe, rozłączne lub nierozłączne połączenie w którym przenoszenie siły lub momentu siły z elementu do elementu połączenia zapewniane jest poprzez tarcie. Docisk elementów trących realizowany jest przez inne elementy pomocnicze lub bez ich użycia.

Zastosowanie: - połączeniach wciskowych ( wału z piasta) - połączeniach nitowych - połączeniach gwintowych - sprzęgłach ciernych - hamulcach -przekładniach cięgnowych - przekładniach ciernych

Połączenie wciskowe: W połączeniu wciskowym elementy odkształcające się i związane z tym siły sprężystości materiału zapewniają odpowiedni docisk. Mogą być wielokrotnie łączone i rozłączane pod warunkiem nieuszkodzenia powierzchni styku. Połączenia wciskowe używane są najczęściej do osadzania obrotowych różnego rodzaju kół (np. przekładniowych) na wałach lub osiach.

Podział połączeń wciskowych:

Ze względu na budowę: -połączenia wciskowe bezpośrednie - połączenia wciskowe pośrednie - połączenia rozprężne -połączenie dociskowe

Ze względu na sposób łączenia: - połączenia wciskowa wtłaczane - stosując zewnętrzna siłę wtłacza się jeden element w drugi; połączenia wciskowe skurczowe -poprzez ogrzewanie lub zmrażanie jednego z elementów uzyskuje się zmianę wymiaru,

Pasowania: (rysunek) Są podstawą wszystkich połączeń wciskowych. Pasowanie określa charakter współpracy łączonych części, powstaje gdy kojarzy się ze sobą elementy o jednakowych wymiarach nominalnych (np. wałek i otwór) i określonych odchyłkach.

Tolerancje: (rysunek) dla zapewnienia prawidłowej współpracy części określa się tolerancję wykonania będącą różnicą między największą i najmniejszą dopuszczalną wartością danego wymiaru

Zasady normalizacji

zasada stałego otworu – tolerancję otworu dobiera się z grupy tolerancji H (tolerancja

w głąb materiału) gdzie EI=0, a o rodzaju pasowania decyduje tolerancja wałka, np.

tolerancja luźna – H7/g6, tolerancja mieszana – H7/k6, tolerancja ciasna – H7/s6,

- zasada stałego wałka – odwrotnie jw.

Tolerowanie normalne można zapisać

- za pomocą odchyłek (tolerowanie liczbowe) $\varnothing 40^{\begin{matrix} + 0,015 \\ 0,00 \\ \end{matrix}}$

- symbolami (tolerowanie symbolowe) za pomocą symbolu odchyłki podstawowej i klasy

dokładności (np. H7, g7)

- sposobem mieszanym (tolerowanie mieszane) $\varnothing 40^{\begin{matrix} + 0,025 \\ 0,00 \\ \end{matrix}}$(H7)

Nośność połączeń: (rysunki)

Obciążenie momentem Ms≤M_T $M_{T} = \text{Ts}*\frac{d}{2} = \mu*p*A*\frac{d}{2} = \frac{1}{2}*p*\pi*d^{2}*l*\mu$

Obciążenie siłą wzdłużną P≤Tp Tp = μ * p * A = p * π * d * l * μ

Obciążenie złożone $T \geq P_{\text{wyp}} = \sqrt{{(\frac{2*\text{Ms}}{d})}^{2} + P^{2}}$ T = μ * p * A = p * π * d * l * μ

Gdzie: Ts-siłą tarcia, μ-współczynnik tarcia, p−nacisk pomiędzy powierzchniami, A-pole styku elementow

Wcisk wymagany W_wym=$\mathbf{P}_{\mathbf{\text{wym}}}\mathbf{*d*(}\frac{\mathbf{\delta}_{\mathbf{c}}\mathbf{*}\mathbf{v}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{E}_{\mathbf{c}}}$+$\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\ }\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}\mathbf{*}\mathbf{v}_{\mathbf{p}}}{\mathbf{E}_{\mathbf{p}}}$); P_wym= $\frac{\mathbf{T}}{\mathbf{\text{π\ d\ l\ μ}}}$; $\mathbf{\delta =}\frac{\mathbf{1 +}\mathbf{x}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{1 -}\mathbf{x}^{\mathbf{2}}}$; x=$\frac{\mathbf{d}_{\mathbf{w}}}{\mathbf{\text{dz}}}$; gdzie: d_w-⌀ wew., dz = ⌀ zew., E- moduł Younga, V- liczba Poissona

Obciążenie elementów- nacisk występujący w połączeniu jest przenoszony przez cały przedmiot. Wynika to między innymi z odkształcenia powierzchni czopa i piasty

Piasta- powierzchnia styku: naprężenia promieniowe σ_r= - $\frac{p*\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}{1 - \mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}$*($\frac{d_{z}^{2}}{d_{w}^{2}} - 1)$; napręzenia obwodowe $\sigma_{\theta} = \ \frac{p*\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}{1 - \mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}*(\frac{d_{z}^{2}}{d_{w}^{2}} + 1)$; naprężenia osiowe: σ_x=-2$V_{p}\frac{p*\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}{1 - \mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}$

Piasta- powierzchnia zew. σ_r=0; $\ \sigma_{\theta} = \frac{2*p*\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}{1 - \mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}$;  σ_x=-2$V_{p}\frac{p*\mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}{1 - \mathbf{\delta}_{\mathbf{p}}}$

Siła montażu i demontażu: Pw = p_max * π * d * l * μ_w

1. Połączenia podatne: charakterystyka połączeń, definicje; sprężyny – zadania, klasyfikacja, materiały, sztywność, charakterystyki, praca sprężyny, układy sprężyn, geometria sprężyny, obliczenia.