Materiały konstrukcyjne

Materiały odlewane

• w formach

• w odlewie ciągłym

Materiały obrabiane plastycznie

-na zimno

- na gorąco

Materiały skrawane

• wykrawane,

• otrzymywane po skrawaniu

Materiały spajane

• materiały warstwowe

• kompozyty

Połączenia

Połączenia nierozłączne:

• Spawane

• Zgrzewane

• Lutowane

• Klejone i kitowe

• Zawalcowywane i zaginane

• Nitowe

Połączenia rozłączne:

• Śrubowe i gwintowe

• Połączenia kształtowe

• Połączenia wciskowe

• Elementy sprężyste metalowe i niemetalowe

Wały i osie

• Kształtowanie

• Uproszczone obliczenia

• Sztywność statyczna i dynamiczna

• Charakterystyka osi i wałów. Osią lub wałem nazywa się element maszyny podparty w łożyskach i podtrzymujący osadzone na nim części maszyn. Na wale mogą być osadzone różne elementy wykonujące ruchy obrotowe (np. koła zębate, piasty, tarcze hamulcowe itp.) lub ruchy wahadłowe (np. koło zębate współpracujące z zębatką). Głównym zadaniem wału jest przenoszenie momentu obrotowego, zatem wał wykonuje zawsze ruch obrotowy. W związku z tym wał jest narażony jednocześnie na skręcanie oraz - pod wpływem sił poprzecznych - na zginanie. W niektórych przypadkach wał może być narażony tylko na skręcanie (np. samochodowy wał napędowy w sprzęgle Cardana).

• 
  
  Rys. 1.1 Przykładowy wał maszynowy

• Oś jest element mechanizmu lub maszyny, służący utrzymaniu w określonym położeniu osadzonych na niej wirujących elementów, najczęściej kół, oraz do przenoszenia na podpory sił działających na te elementy. Oś nie przenosi momentu obrotowego i jest narażona na zginanie. Oś może być nieruchoma, utwierdzona w miejscach podparcia, lub ruchoma (wykonuje ruch obrotowy), osadzona w łożyskach. Oś nieruchomą mocuje się w podporach za pomocą połączeń wpustowych, gwintowanych itp. Krótką oś nazywa się czasami sworzniem.

• Zarówno osie, jak i wały mogą być dodatkowo obciążone siłą poosiową (rozciągającą lub ściskającą), np. gdy elementami osadzonymi na nich są koła zębate skośne lub stożkowe.

• Przykłady wałów oraz obu rodzajów osi pokazano schematycznie na rys. 1.1.

• 
  
  Rys. 1.2. Schematy: a, b) wału, c) osi nieruchomej, d) osi ruchomej

• Rodzaje osi i wałów. Osie i wały sztywne są ustrojami prętowymi o przekroju poprzecznym okrągłym albo (znacznie rzadziej) sześciokątnym lub innym. Można wyróżnić osie i wały gładkie (rys. 1.2a) mające prawie niezmienny przekrój poprzeczny na całej długości oraz kształtowe - o zmiennych przekrojach, wynikających z obciążenia i funkcji osi lub wału (rys. 1.2.b, c, e). Osie są z reguły proste, natomiast wały mogą być proste lub wykorbione (rys. 1.2d).

• 
  
  Rys. 1.3. Rodzaje wałów i osi: a) wał gładki, b, c) wały schodkowe, d) wał wykorbiony, e) oś nieruchoma

• W niektórych urządzeniach (szlifierkach ręcznych, wiertarkach dentystycznych itp.) stosuje się wały giętkie, służące do przenoszenia napędu na elementy wykonujące ruchy przestrzenne względem źródła napędu. Zależnie od liczby łożysk, będących podporami wałów, rozróżnia się wały dwu- i wielopodporowe oraz (bardzo rzadko stosowane) - jednopodporowe. W zależności od spełnianych funkcji wału często stosuje się nazwy: wał główny (wrzeciono robocze - WR), pomocniczy, rozrządczy, napędzający itp. Wały mogą być pełne lub drążone. Wały drążone stosuje się w celu zmniejszenia ciężaru konstrukcji, gdy otwór umożliwia mocowanie i obróbkę długich prętów (np. w tokarkach). Większość wałów maszynowych stanowią wały schodkowe, w których średnice zmieniają się stopniowo. Sposób kształtowania zależy od względów wytrzymałościowych oraz od przewidywanego sposobu montażu. Stopniowanie średnic narastająco od środka wału (rys. 1.2b) stosuje się przeważnie wówczas, gdy korpus maszyny (urządzenia) jest dzielony, przy czym podział przebiega wzdłuż osi wału; stopniowanie średnic w jednym kierunku (rys. 1.2c) umożliwia montaż wału w otworach niedzielonych kadłubów.

• Czopami nazywa się odcinki osi lub wału, których powierzchnie stykają się ze współpracującymi elementami: łożyskami, kołami zębatymi itd. Rozróżnia się czopy ruchowe i czopy spoczynkowe. Czopy ruchowe 1 (rys. 1.3) współpracują z panewkami łożysk ślizgowych, z kołami przesuwnymi lub obracającymi się względem nieruchomej osi itp., natomiast czopy spoczynkowe 2 współpracują z elementami osadzonymi na stałe względem wału i obracającymi się wraz z nim. Kształty czopów ustala się w zależności od wartości i kierunku reakcji w podporach oraz od wymagań konstrukcyjno-technologicznych. Na rys. 1.3 przedstawiono niektóre rodzaje czopów poprzecznych i wzdłużnych.

• 
  
  Rys. 1.4 Rodzaje czopów 1 - czopy ruchowe, 2 - czopy spoczynkowe

• Jeżeli czop jest umieszczany na końcu wału lub osi to nazywamy się go czopem końcowym, a jeśli umieszczony jest w części środkowej, to wówczas nazywa się go czopem środkowym. W zależności od kierunku przenoszonych sił rozróżniamy czopy poprzeczne, wzdłużne i poprzeczno-wzdłużne.

• Czopy wymagają dokładnej obróbki, dlatego ich średnice należy dobierać wg wymiarów normalnych (PN-78/M-02041). Wymiary swobodne wałów (np. średnice nie stykające się z innymi elementami) mogą być niezgodne z wymiarami normalnymi, jeżeli wpłynie to korzystnie np. na ułatwienie montażu.

Łożyska:

• Ślizgowe

• Toczne

Łożyska

• Wzdłużne

• Poprzeczne

Łożyska toczne w zależności od kształtu elementu tocznego:

• Kulkowe

• Wałeczkowe

• Igiełkowe

• Stożkowe

• baryłkowe

Zadania i rodzaje łożysk

• Tarcie w łożyskach

• Materiały łożyskowe

• Smary

• Nośność ruchowa i spoczynkowa

• Konstrukcje łożyskowania

przekładnie

• Przełożenie przekładni mechanicznej jedno i wielostopniowej

• Przekładnie bezstopniowe

• Sprawność przekładni mechanicznej

• Zmiana płaszczyzny i kierunku ruchu,

• Przeniesienie momentu obrotowego na odległość.

- Przekładnie zębate walcowe

• Przekładnie zębate stożkowe

• Przekładnie ślimakowe

• Przekładnie cierne

• Przekładnie pasowe

• Przekładnie łańcuchowe

• Przekładnie falowe

Przekładnie zębate walcowe

- Kształty zębów

• Technologie produkcji

• Korekcja kół zębatych

• Ograniczenia stosowania

Sprzęgła

• Sztywne

• Samonastawne

• Przegubowe

• Podatne

• Włączane

• Specjalne

Hamulce

• Klockowe

• Szczękowe

• Stożkowe

• Taśmowe

• Elektromagnetyczne

Silniki

• Elektryczne

• Spalinowe

• Generatory wodne i wiatrowe

Konstruktorskie podejście do rozróżnienia elementów elektrycznych od elektronicznych

Prąd elektryczny, rodzaje prądu elektrycznego

Przewodniki, półprzewodniki, izolatory, materiały zmieniające właściwości pod wpływem prądu elektrycznego

Napięcie, Natężenie, Moc P=U*I

Moc: czynna, bierna, pozorna

Źródła prądu

-stałego

-zmiennego

- przemiennego

Przetworniki elektryczne

Przetworniki prądu

Przetworniki napięcia

Przetworniki mocy

Przetworniki częstotliwości

Prostowniki, powielacze, stabilizatory

Silniki elektryczne

Obrotowe, liniowe

Prądu stałego zmiennego

Pracy ciągłej, krokowe

Synchroniczne asynchroniczne

Elementy układów sterowania elektrycznego

Układy cyfrowe, układy analogowe

Elementy bierne:

Rezystory, kondensatory, cewki, transformatory, linie przesyłowe i opóźniające

Przetworniki wielkości fizycznych na sygnały elektryczne

Układy zasilające

Wzmacniacze

Elementy elektroniczne układów sterowania

Diody, triody, terody, lamy wieloelektrodowe

Tranzystory

Generatory przebiegów prądu

Modulacja i demodulacja

Sensory

Analogowe, binarne , cyfrowe

Taktylno-stykowe, rezystancyjne, indukcyjne, pojemnościowe, ultradzwiękowe, optyczne, piezokrystaliczne i inne.

Przetworniki wielkości fizycznych na elektryczne:

Magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, magnetostrykcyjne, elektrostrykcyjne, pojemnościowe, piezoelektryczne, stykowe, elektronowe, cieplne, jonowe, pneumatyczne, świetlne.

Człony układów regulacji

Człon proporcjonalny,

Człon całkujący

Człon różniczkujący,

Człon opóźniający,

Człon inercyjny pierwszego rzędu

Człon inercyjny drugiego rzędu

Połączenia wielu członów regulacji

Elementy techniki cyfrowej

Procesory,

nośniki pamięci

układy komunikacyjne

Sieci rozległe

Sieci lokalne

Zabudowa i zabezpieczenia

Zabudowy i zabezpieczenia układów sterujących

Zabezpieczenia sensorów i aktuatorów

Zabezpieczenia systemów komunikacyjnych

Napędy pneumatyczne

Pneumonika - «dziedzina automatyki mechanicznej obejmująca układy i elementy, w których ruchome są jedynie strumienie cieczy lub gazu, natomiast części mechaniczne są nieruchome»

Rodzaje gazów w pneumatyce

Mieszaniny gazów

Akumulatory hydrauliczne

Instalacje sprężonego powietrza:

Sprężanie, osuszanie, rozprowadzanie

Sprężarki

Silniki pneumatyczne

Siłowniki pneumatyczne wahadłowe

Siłowniki pneumatyczne specjalne

Silnik pneumatyczny - maszyna pneumatyczna (silnik), przetwarzająca energię sprężonego powietrza lub innego gazu na ruch obrotowy lub postępowy. Silniki są podobne do silników parowych, jako że pracę wykonuje dostarczony z zewnątrz sprężony gaz. Małe, jednocylindrowe silniki modelarskie są stosowane do napędzania modeli samolotów.

Silnik pneumatyczny nie emituje szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery, jednak sprężenie powietrza wymaga energii, zazwyczaj uzyskiwanej metodami, które takie zanieczyszczenia emitują.

Silnik pneumatyczny i pomysł użycia powietrza jako nośnika energii nie są nowe. Ich rozwój nastąpił w XIX wieku m.in. za sprawą prac konstrukcyjnych i pomysłów Ludwika Mękarskiego. Silniki zasilane sprężonym powietrzem były używane wówczas do zasilania lokomotyw w kopalniach oraz do napędu tramwajów. Silniki pneumatyczne były i wciąż są używane do rozruchu silników spalinowych w samochodach wyścigowych. Małe silniki pneumatyczne są powszechnie używane do napędu narzędzi ręcznych, takich jak wiertarki, młoty udarowe, szlifierki, klucze itp., zwłaszcza do pracy w środowisku, gdzie iskra od napędu elektrycznego czy spalinowego mogłaby spowodować pożar.

W 1988 roku Dennis Lee twierdził w swoich materiałach reklamowych, że dysponuje wydajnym silnikiem pneumatycznym.

W 1991 r. Guy Nègre wynalazł silnik z podwójnym zasilaniem. Mógł on działać zarówno na sprężone powietrze, jak i na zwykłe paliwo. Przez 15 lat badań dokonał się rozwój. Propagatorzy twierdzą, że silniki pneumatyczne są konkurencyjne w stosunku do współczesnych silników spalinowych oraz, że zastosowanie silnika pneumatycznego czyni samochód lżejszym.

Jednym z ostatnich osiągnięć w dziedzinie wykorzystania sprężonego powietrza do napędu silników jest konstrukcja francuskiego inżyniera Guy Nègre. Podobne rozwiązania są rozwijane przez urugwajskiego inżyniera Armando Regusci, Australijczyka Angelo Di Pietro oraz Koreańczyka Chul-Seung Cho.

Mimo zainteresowania, żadna z firm nie wdrożyła dotąd pojazdu do masowej produkcji. Sprawnie działający pojazd zasilany sprężonym powietrzem miałby wszystkie zalety samochodu elektrycznego i dodatkową - uzupełnianie zużytej energii trwałoby kilka minut zamiast godzin potrzebnych do naładowania baterii akumulatorów.

Budowa

W tłokowym silniku pneumatycznym sprężone powietrze działając na tłok porusza go. Źródłem sprężonego powietrza pod ciśnieniem 20 MPa jest kompozytowy zbiornik z włókna węglowego. Do cylindrów powietrze dostarczane jest przez system podobny do konwencjonalnego wtrysku. Unikatowa konstrukcja wału korbowego zwiększa czas, podczas którego ładunek powietrza jest ogrzewany ciepłem z otoczenia. Sprawność urządzenia poprawiona jest poprzez użycie ciepła z otoczenia o normalnej temperaturze do ogrzania zimnego rozprężającego się powietrza. To nieadiabatyczne rozprężenie przyczynia się do dużego zwiększenia sprawności silnika. Jedynym gazem wydechowym jest zimne powietrze (-15°C), które może być także użyte w klimatyzacji auta.

W zastosowaniach praktycznych w transporcie należy wskazać pewne problemy techniczne silnika pneumatycznego:

• Rozszerzanie sprężonego powietrza powoduje jego oziębienie, które zmniejsza sprawność (zobacz równanie Clapeyrona). To oziębienie zmniejsza ilość energii, która może być odzyskana przez rozprężenie. Aby temu zapobiec silniki ogrzewa się ciepłem z otoczenia, poprawiając wykorzystanie energii sprężonego powietrza.

• Dla odmiany, sprężanie powietrza przez pompy podgrzewa powietrze. Jeśli to ciepło nie zostanie odzyskane przyczynia się do dalszych strat mocy redukując wydajność.

• Magazynowanie powietrza pod wysokim ciśnieniem wymaga wytrzymałych zbiorników, które jeśli nie są wykonane z drogich materiałów (np. włókna węglowego), są ciężkie i ograniczają sprawność pojazdu.

• Odzysk energii pojazdu podczas hamowania przez sprężanie powietrza także wytwarza ciepło, które powinno być wykorzystywane dla poprawienia sprawności.

• Sprężone powietrze ma niską gęstość magazynowanej energii. Do przejechania 300 km, przy zużyciu energii analogicznym do typowego samochodu osobowego, potrzeba 900 kg sprężonego powietrza objętości 2,5 m³ (przy ciśnieniu 30 MPa).

W silniku Negre'a tłok w jednym cylindrze spręża powietrze pobierane z atmosfery, gromadząc je w małym zbiorniku, który zasila zbiornik wysokiego ciśnienia małą porcją powietrza. Później to powietrze jest przesyłane do drugiego cylindra, gdzie wykonuje pracę. Podczas sprężania powietrza w celu jego ogrzania zachodzi strata energii. Dzieje się tak dlatego, że owa porcja powietrza nie może otrzymać energii z otoczenia, które jest zimniejsze. Ponadto, powietrze musi się natychmiast rozprężyć ponieważ silnik ma system korbowy. Silnik Negre'a pracuje ze stałym momentem obrotowym. Jedynym sposobem przekazania zmiennego momentu do kół jest użycie przekładni o zmiennym przełożeniu, w której również występują straty energii. Kiedy samochód zatrzyma się, silnik Negre'a musi nadal pracować, tracąc energię. Wersja Armando Regusci silnika pneumatycznego ma pewne zalety w porównaniu do oryginalnego silnika Guy Negre. W wersji Regusci'ego silnik napędza bezpośrednio koła. Przekazywany moment może się zmieniać od zera do maksimum.

W 2004 roku Guy Negre porzucił swój oryginalny projekt i zaproponował nowe rozwiązanie, które jak twierdził wynalazł w 2001 roku. Jednak okazało się ono identyczne z rozwiązanem Armando Regusci'ego opatentowanego w 1989 roku w Urugwaju pod numerem 22976 i w 1990 w Argentynie. W patentach tych wspomina się użycie silników elektrycznych do sprężania powietrza.

Zastosowanie

Silnik Nègre'a jest używany do napędzania prototypowego samochodu miejskiego z miejscami dla pięciu pasażerów i planowanym zasięgiem 160 do 320 km w zależności od warunków ruchu. Główne zalety to brak szkodliwych emisji i niski koszt wytworzenia. Silnik używa oleju jadalnego do smarowania (1 litr na 50000 km) i ma zintegrowaną klimatyzację. Zasięg samochodu na jednym napełnieniu zbiorników można łatwo potroić, gdyż dostępne są zbiorniki z włókien węglowych, które przeszły testy bezpieczeństwa dla ciśnienia 70 MPa. Powietrze w zbiornikach może być uzupełnione w około 3 minuty w stacji serwisowej lub w kilka godzin w domu poprzez podłączenie do sieci elektrycznej sprężarki znajdującej się na wyposażeniu samochodu. Przybliżony koszt użytkowania to 2,80 zł na 100 km (napełnienie zbiorników na stacji tankującej będzie kosztowało około 3 US$).

Podstawowe zalety samochodów na sprężone powietrze

• krótki czas ładowania zbiornika sprężonym powietrzem;

• zbiornik napełniony powietrzem nie traci swojego ładunku w przeciwieństwie do akumulatorów, które tracą swój ładunek bez zewnętrznych obciążeń w tempie zależnym od typu, rozmiaru i procesów chemicznych;

• długotrwała użyteczność urządzenia i mała zużywalność w porównaniu do akumulatorów mających ograniczoną liczbę cykli rozładowań i ograniczony czas użytkowania niezależnie od tego czy są eksploatowane czy nie;

• sprężone powietrze jako nośnik energii ma przewagę wobec elektrycznych nośników, gdyż brak tu potrzeby produkcji i utylizacji baterii, co jest ważnym czynnikiem środowiskowym (większość współczesnych baterii można poddawać recyklingowi, co pomniejsza tę przewagę);

• technologia sprężania powietrza nie jest tak technicznie wymagająca jak technologia elektryczna lub hybrydowa benzynowo-elektryczna, ale jest tania i przystępna wszystkim już teraz;

• potencjalnie niższy koszt początkowy masowej produkcji niż aut na baterie elektryczne.

Dla pasjonatów pojazdów zasilanych elektrycznie i z alternatywnych źródeł udane silniki pneumatyczne są dobrą wiadomością, ponieważ można ich użyć do zasilania własnych pojazdów spalinowych. Można po prostu kupić silnik pneumatyczny, zbiornik, tarczę dopasowującą, mocowania silnika, zespoły sterowania silnikiem oraz inne elementy i zamontować w nowym lub używanym samochodzie tak jak jest to robione dla samochodów elektrycznych.

Napędy hydrauliczne

Napęd hydrauliczny - urządzenie służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytworzenia do miejsca napędzanego za pomocą cieczy. Zasada działania napędów hydraulicznych oparta jest na prawie Pascala.

Napędy hydrauliczne są wykorzystywane w górnictwie, hutnictwie, obrabiarkach, maszynach rolniczych, budowlanych i drogowych. Napędy hydrauliczne dzielone są na hydrostatyczne i hydrokinetyczne.

Zalety napędów hydraulicznych

• małe gabaryty i ciężar, zwarta budowa,

• trwałość i niezawodność,

• duży moment rozruchowy przy krótkim czasie rozruchu i hamowania,

• płynna, bezstopniowa regulacja prędkości i zmiany kierunku ruchu,

• duża obciążalność przy małych prędkościach ruchu,

• łatwość zabezpieczenia przed przeciążeniem,

• realizacja dowolnych ruchów urządzenia wykonawczego: posuwisto-zwrotnych, wahadłowych i obrotowych,

• precyzja działania,

• standaryzacja elementów i łatwość automatyzacji,

• łatwość prowadzenia instalacji nawet na duże odległości,

• małe koszty konserwacji ze względu na smarne właściwości czynnika roboczego.

Wady napędów hydraulicznych

• wrażliwość na zapowietrzenie,

• straty mocy podczas przepływu czynnika roboczego w instalacji,

• wymagania wysokiej precyzji wykonania i remontu urządzeń,

• wymagania wysokiej kwalifikacji obsługi,

• konieczność dokładnego wykonania elementów zasilających,

• trudności w uzyskaniu powolnych ruchów,

• w niektórych przypadkach konieczność utrzymywania stałej temperatury obiegowej

Ciecze hydrauliczne

Pompy hydrauliczne

Akumulatory hydrauliczne

Zbiorniki i filtry cieczy roboczej

Silniki hydrauliczne

Siłowniki hydrauliczne

Silniki elektryczne

Silniki prądu stałego:

- Silnik obcowzbudny

• Silnik samowzbudny bocznikowy

• Silnik szeregowy

• Silnik samowzbudny szeregowo bocznikowy

• Nastawianie prędkości obrotowej i zmiana kierunku wirowania

Silniki prądu przemiennego:

• Silniki jednofazowe,

• Silniki trójfazowe,

• Silniki trójfazowe zasilane jednofazowo

• Silniki synchroniczne i asynchroniczne

• Silniki liniowe

• Elektromagnesy i sprzęgła elektromagnetyczne

• Wyłączniki i włączniki silnikowe

• Przekaźniki termiczne silników

• Termistorowe zabezpieczenia silników

Przemienniki częstotliwości

Trójfazowe, jednofazowe

- proste

- z zachowaniem mocy

- Z zachowaniem momentu obrotowego

Przekładnie mechaniczne

Zasada Willisa

Metody wykonywani kół zębatych

Przełożenie przekładni mechanicznej

Sprawność przekładni mechanicznej

Klasyfikacje przekładni mechanicznych

Wady i zalety

Zastosowanie przekładni mechanicznych w napędach mechatronicznych

Przekładnia - mechanizm lub układ maszyn służący do przeniesienia ruchu z elementu czynnego (napędowego) na bierny (napędzany) z jednoczesną zmianą parametrów ruchu, czyli prędkości i siły lub momentu siły.

Przekładnia może zmieniać:

• ruch obrotowy na ruch obrotowy - najczęstszy przypadek

• ruch obrotowy na liniowy lub odwrotnie

• ruch liniowy na ruch liniowy

Ze względu na rodzaj wykorzystywanych zjawisk fizycznych, przekładnie dzielą się na:^[1]

• przekładnie mechaniczne

• przekładnie hydrauliczne

• przekładnie pneumatyczne

Przekładnia może być:

• reduktorem (przekładnia redukująca) - gdy człon napędzany obraca lub porusza się z mniejszą prędkością niż człon napędzający

• multiplikatorem (przekładnia multiplikująca) - gdy człon napędzany obraca lub porusza się z większą prędkością niż człon napędzający

Przekładnia o zmiennym przełożeniu nazywana jest wariatorem

Szczególnym przypadkiem przekładni jest sytuacja, gdy prędkość na wejściu równa jest prędkości na wyjściu. Taki przypadek stosuje się, gdy chodzi tylko o zmianę kierunku wektora prędkości lub siły (momentu).

Podstawowymi parametrami przekładni są:

• n_max - maksymalna prędkość na wale napędzającym

• M_max - maksymalne obciążenie - siła lub moment siły na wale napędzanym

• i = n₁/n₂ - przełożenie przekładni, gdzie n₁ to prędkość na wale napędzającym i n₂ to prędkość na wale napędzanym

• η = N_u/N_o - sprawność energetyczna przekładni, gdzie N_u to moc użyteczna i N_o to moc włożona

---