Járműelemek és Hajtások Tanszék

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Közlekedésmérnöki Kar Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Járműelemek és Hajtások Tanszék Járműelemek és Hajtások Tanszék Dr. Eleőd András A KIALAKÍTÁS SZABÁLYAI kézirat Budapest 2006.

2 Eleőd: A kialakítás szabályai 2 1. Bevezetés Közgazdasági értelmében egy gyártmány csak akkor válik termékké, ha sikerült eladni. A raktáron heverő gyártmány egyelőre csak költségnövelő tényező. Egy termék akkor lesz a piacon eladható, ha: - van rá igény és - ha értéke a vásárló szemében a konkurencia termékénél nagyobb. Az érték úgyszintén közgazdasági fogalom, egyik oldalról nézve egy terméknek annyi az értéke, amennyit a vásárló hajlandó adni érte. Másik oldalról nézve: érték funkció költség Költség alatt mindazon ráfordítások anyagi ellenértékét értjük, amelyek a termék létrehozásához és eladásához szükségesek. Funkció alatt a termék mindazon képességét és tulajdonságát értjük, ami közvetlen a vevő igényeinek kielégítésére szolgál és amiért a vevő hajlandó fizetni. Egy termék előállítása során, annak minden fázisában, - így a tervezésben is - arra kell törekedni, hogy a termék értéke minél nagyobb legyen. A tervezés a termék előállításának folyamatában kitüntetett szerepet játszik, mivel a legkisebb ráfordítással a leghatékonyabb módon lehet a termék tulajdonságait befolyásolni: 2. A tervezés során mérlegelendő főbb szempontok A tervezőmunka során a tervezőnek olyan terméket kell létrehoznia, amely a korábbiakban megfogalmazott funkciókat a meghatározott hatáselvek szerint elégíti ki, de egyben megfelel az értéknövelés követelményeinek is. A tervezőnek tehát a tervezés során tekintettel kell lennie a termék életpályájának a tervezést megelőző, ill. azt követő szakaszára is. A tervezés során tehát minden döntést több szempontból kell mérlegelni, a döntések következményeit állandóan ellenőrizni, mert az esetleges hibák a későbbiekben csak sokkal nagyobb költséggel korrigálhatók (lásd az előző ábrát). Vegyük sorra a tervezés minden munkafázisa során mérlegelendő elsődleges szempontokat:

3 3 Eleőd: A kialakítás szabályai - Funkció: kielégülnek-e a korábbiakban megállapított funkciók? Milyen további mellékfunkciók, ill. kiegészítő szükségesek? - Hatáselv: biztosítja-e a kiválasztott hatáselv a szükséges működést? Milyen hatásfokkal és milyen hatékonysággal? - Méretezés: garantálják-e a kiválasztott formák és méretek a választott anyaggal a szükséges élettartamot a fellépő valóságos terhelés mellett? - Biztonság: figyelembe vannak-e véve a funkcióbeli, a működésbeli, valamint a környezeti biztonságot befolyásoló tényezők? - Ergonómia: ember-gép kapcsolat kialakítása, emberi terhelés, ill. teherbírás figyelembevétele. - Gyártás: figyelembe vannak-e véve a gyártás, ill. gyárthatóság technológiai és tudományos szempontjai? - Ellenőrzés: hol és mikor (gyártás során, utána) szükséges az ellenőrzés? - Szerelés: minden külső és belső szerelés egyértelműen és egyszerűen kivitelezhető? - Szállítás: figyelembe vannak- e véve az üzemen belüli és az üzemen kívüli szállítási lehetőségek? - Felhasználás: a felhasználás és üzemeltetés során fellépő jelenségeket (pl. zaj, rezgés, rázás) megfelelő mértékben vették figyelembe? - Karbantartás: a karbantartás, ill. rendszeres ellenőrzés számára szükséges mennyiségek egyszerűen és biztonsággal mérhetők és ellenőrizhetők? - Újrafelhasználás: figyelembe vannak-e véve az újtafelhasználás, ill. újra-hasznosíthatóságra vonatkozó előírások és az ezeken felüli lehetőségek? - Költségek: betarthatók-e az előre becsült, ill. maximált költséghatárok? - Határidők: betarthatók-e a hálótervben megadott határidők? Van-e lehetőség a határidők csökkentésére? - Minőség: megfelelőképpen dokumentált-e a tervezés minden fázisa? 3. A tervezés alapszabályai A tervezés három alapszabálya: - az egyértelműség, - az egyszerűség, - a biztonság.

4 Eleőd: A kialakítás szabályai 4 Bár első olvasásra triviálisnak tűnnek, de nézzük meg részletesebben, hogyan lehet a fenti alapszabályokat a termékalkotás szempontjainál érvényre juttatni: 3.1 Egyértelműség - Funkció: tiszta és világos funkcióstruktúra, a részfunkciókhoz tartozó bemeneti és kimeneti értékek pontos megadásával. - Hatáselv: világos ok-okozati kapcsolat, világos energia-, erő-, anyag- és jelfolyam. - Méretezés: egyértelmű terhelés definíció anyagválasztás megengedett értékek. - Ergonómia: egyértelmű kezelési folyamat. - Gyártás és ellenőrzés: egyértelmű dokumentáció (rajz + darabjegyzék + műszaki leírás!) - Szerelés és szállítás: egyértelmű szerelési sorrend, a szállítási igény figyelembevételével. - Felhasználás és karbantartás: karbantartási utasítás, a karbantartáshoz szükséges célszerszámok legyártása, az előírt karbantartás kipróbálása! - Recycling: az újrafelhasználható és újrahasznosítható anyagok megjelölése és az újrafelhasználás céljának megadása, szétszerelési utasítás! Példaként bemutatjuk a Sachs lengéscsillapítók dobozában található ábrasort: 3.2. Egyszerűség - Funkció: áttekinthető és lehetőleg kisszámú részfunkciók. - Hatáselv: egyszerű (és lehetőleg nem kombinált) hatáselv. - Méretezés: egyszerű geometriai formák, amelyek direkt matematikai módszerekkel a lineáris rugalmasságtan tartományában méretezhetők. (Szimmetria szerepe!)

5 5 Eleőd: A kialakítás szabályai - Ergonómia: könnyű hozzáférhetőség, áttekinthető formák és alakzatok, egyszerű működtetés. - Gyártás és ellenőrzés: egyszerű geometriai formák, kevesebb technológiai művelet. - Felhasználás és karbantartás: - egyszerű kezelhetőség, - a meghibásodások láthatóvá tétele, - javíthatóság. - Újrafelhasználás: értékesíthető anyagok alkalmazása, egyszerű szétszerelés Biztonság A biztonság alapszabálya érinti a műszaki funkciók megbízható kielégítését, csakúgy, mint az emberre és a környezetre ható veszély csökkentését. A biztonság kiterjed: - a funkcionális biztonságra: a gépek, ill. berendezések működési biztonságosságára és megbízhatóságára, nehogy a tervezettől eltérő üzemállapot kialakulhasson, - az alkatrész biztonságára: törés, instabilitás, tartósság szempontjából, - a munkavégzési biztonságra: a személyre, aki a géppel dolgozik, - a környezeti biztonságra. Gépekre és gépipari berendezésekre a DIN háromlépcsős biztonságot ír elő: a. Közvetlen biztonság: olyan konstrukciós megoldásokat kell tervezni, amelyek az emberre és a környezetére egyáltalán nem jelentenek veszélyt. A közvetlen biztonság a tervezendő gépegység funkciójától függően többféle alapelv alkalmazásával érhető el: - Safe-life (biztos túlélés) alapelv: minden részegység és ezáltal maga a berendezés is a megkívánt valószínűséggel tervezett élettartamán belül tönkremenetel nélkül üzemel (pl. hengerfej csavar, vezérmű-bordásszíj, fékpofa, stb.). - Fail-safe (korlátozott meghibásodás) alapelv: túlterhelés hatására egyetlen alkatrész tönkremenetele megengedhető, hatására a berendezés leáll, anélkül, hogy az egész berendezés tönkremenne (pl. reteszkötésben a retesz). - Redundáns elrendezés (megbízhatóságnövelés): azonos funkciójú berendezés(ek) párhuzamos telepítése. A párhuzamosan telepített berendezés csak a rendszeresen működő meghibásodása esetén veszi át az előzőtől a funkcióját (pl. kórházak, bankok számítógép-áramellátó berendezései, kétkörös fékrendszer, tartalék víz- és levegő szivattyúk, stb.). b. Közvetett biztonság: védőberendezések és védőfelszerelések alkalmazása. c. Utasításos biztonság: munkavédelmi előírások (pl. 25/1996 (VII.28.) NM rendelet, amely az egészséget nem veszélyeztető munkavégzés és a munkakörülmények általános egészségügyi követelményeit határozza meg, a munkaadókat tulajdoni viszonyoktól és szervezettől függetlenül kötelezően érintve). 4. A kialakítás szabályai

6 Eleőd: A kialakítás szabályai 6 Egy adott konstrukció tervezése során, miután a tervező a megvalósítandó műszaki megoldást kiválasztotta, elkezdődhet a konstrukció részegységeinek kialakítása, egyes elemeinek konkrét alakadása. A kialakítás és az alakadás egy folyamatos optimum keresési feladatot jelent, hiszen az alakadás során kell biztosítani egyfelől, hogy a tervezett alkatrész formája és mérete a kiválasztott anyaggal együtt garantálja a szükséges élettartamot az üzem közben fellépő valóságos terhelés mellett. Másfelől a kialakítás során kell gondoskodni arról, hogy a tervezett konstrukció minden egyes eleme külön-külön is, és az egész konstrukció teljes egészében is alkalmas legyen a funkciói ellátására, ugyanakkor az alkatrészek gyártása, ellenőrzése, szerelése és szétszerelése, valamint utólagos felhasználása a lehető legkisebb költségekkel járjon. A kialakítás és az alakadás folyamatos optimumkeresésének technikáit az angol rövidítés alapján DfX (Design for X) technikáknak nevezik. A DfX technikák adott felhasználói követelmények közvetlen kielégítésére alkalmas konstrukciós megoldások együttesét jelentik, amelyek szintetizálása a tervezésre vonatkozó általános alapelvek megfogalmazásához vezethet. Ennek megfelelően megkülönböztethetünk: - igénybevétel szempontjából helyes kialakítást, - a felhasznált anyag szempontjából helyes kialakítást, - szabványoknak megfelelő kialakítást, - gyártáshelyes kialakítást, - szerelés- és szétszerelés-helyes kialakítást, - ergonómiailag helyes kialakítást, - a recycling szempontjából helyes kialakítást, - a minőség szempontjából helyes kialakítást, - a korrózióvédelem szempontjából helyes kialakítást, - a tribológiai szempontból helyes kialakítást, - stb. - A továbbiakban konkrét példák segítségével, a tervezés három alapszabályának az egyértelműségnek, az egyszerűségnek és a biztonságnak a szem előtt tartásával, különkülön mutatjuk be azokat a kialakítási alapelveket, amelyeket egy adott alkatrész vagy kapcsolódó konstrukciós elemek végső alakjának és formájának meghatározásánál figyelembe kell venni 4.1. Igénybevétel-helyes kialakítások (a terhelésátadás szempontjából helyes kialakítások) és szerkesztési irányelvek: Igénybevétel-helyes kialakítás alatt olyan konstrukciós megoldásokat értünk, amelyek mind a külső terhelés bevezetésének (átadásának, ill. felvételének) szempontjából, mind pedig a terhelés következtében az alkatrészben kialakult feszültségi, ill. alakváltozási állapot szempontjából nézve az adott alkatrész legkedvezőbb igénybevételét okozzák. - Az erőbevezetés figyelembevétele: A tervezett alkatrész alakja, formája az igénybevétel jellegét ne változtassa meg, az akció- és reakcióerők közötti erővonalakat lehetőség szerint ne törje meg, továbbá a nyomatékkar is a lehető legkisebb legyen.

7 7 Eleőd: A kialakítás szabályai helytelen helyes A célszerűtlenül kialakított alkatrész esetében az igénybevétel tengelyére merőlegesen elhelyezett csődarabban a húzóigénybevétel hajlító- ill. nyíró igénybevétellé alakul át. A helyesen tervezett alkatrész minden részének mértékadó igénybevétele húzás. A csatlakozó elem rögzítésénél viszont az igénybevétel jellege lokálisan megváltozik, amelynek következményeképpen az adott helyen jelentős feszültség-torlódás alakul ki. Ennek elkerülésére célszerű az anyával rögzített hengeres csatlakozó csapot menetesre készíteni, így a terhelés a falvastagság mentén egyenletesebben oszlik meg. Ha figyelembe vesszük a menetek mentén kialakuló egyenetlen terhelésátadást, akkor az alkatrész kifordításával, azaz a külső bordák helyett belső bordák alkalmazásával megfelelően merev és minden keresztmetszetében húzott alkatrészt kapunk. Az igénybevétel szempontjából kedvezőbb menetes kialakítás viszont nem teljesen egyenértékű a hengeres csapos megoldással, mivel a csavarmenet nem teszi lehetővé a pontos megvezetést (központosítást). Ha az illesztéssel megvalósítható központosítás konstrukciós (funkcionális) követelmény, akkor ez a követelmény a tervező számára erősebb kényszert jelent, mint az igénybevétel szempontjából helyes kivitelre való törekvés. A közvetlen erőbevezetés csökkenti a kedvezőtlen, többtengelyű, lokális feszültségi állapot kialakulását, ill. csökkenti a többtengelyű feszültségi állapot kedvezőtlen komponenseihez adódó járulékos feszültségeket. A közvetlen erőbevezetést elősegítő konstrukciós megoldásokra mutatnak példát egy hajtóműház összeerősítési megoldásai: A közvetlen erőbevezetés hatására az erőátadás egyértelműbbé válik:

8 Eleőd: A kialakítás szabályai 8 Az alkatrész alakjával is nagymértékben befolyásolhatjuk a tervezett alkatrész igénybevételének jellegét. Az alábbi ábrák egy végtárcsára kínálnak többféle megoldást. Az első ábrán a végtárcsa anyaga acéllemez, igénybevétele hajlítás, merevsége nem megfelelő. A második megoldás lehet peremezett acéllemez, vagy forgácsolt acéltárcsa, merevsége az előzőnél lényegesen jobb, de igénybevétele hajlítás és nyomás. A perem készülhet egyenszilárdságú kivitelben, anyaga már lehet könnyűfém vagy műanyag, de az igénybevétele még ezeknek az alkatrészeknek is összetett, hajlítás és húzás, ill. hajlítás és nyomás. Az utolsó két ábrán szereplő kialakításokkal az igénybevétel egyszerűsödik, a baloldali döntően nyomásra, a jobboldali húzásra van igénybevéve, a hajlító komponens gyakorlatilag kiküszöbölhető. A terhelésátadás szempontjából lényeges különbséget jelenthet az ún. inverz geometria alkalmazása. Az alábbi példák mindegyikénél a jobboldali ábra jelenti a kedvezőbb megoldást. A baloldali szelep és himba között csak pontszerű érintkezés alakul ki, mivel a szelepszár elfordulhat. A jobboldali ábrán a himba feje henger-, ill. hordófelületű is lehet, mivel a himba csak síkban mozdul el, ezáltal az érintkezés vonalszerűvé válik.

9 9 Eleőd: A kialakítás szabályai A külső menetes hollandi anya esetében az erővonalak szétnyílnak, a kötés szilárdsága gyengül, míg a belső menetes hollandi anyánál az önsegítés elve is érvényesül. A kúpfelület irányának felcserélésével megváltozik az erőkomponensek iránya is. A jobboldali esetben nem csak a menetre ható erők kedvezőbbek, hanem a geometriai viszonyok miatt a csatlakoztató anya is merevebbre készíthető. Az érintkező felületek invertálásával a jobboldali esetben a visszacsapó szelep a teljes szelepút során egyenletesen vezetett, míg a kedvezőtlenebb esetben a vezetett felület hossza a szelepút függvénye. A csapszeg ágyazásának megfordításával két különböző mechanikai modellt lehet megvalósítani. A baloldali megoldás kétoldalt alátámasztott, a jobboldali kétoldalt befogott tartónak tekinthető. Ennek megfelelően a baloldali konstrukciónál a rugalmas lehajlás nagyobb értékű, mint a jobboldali esetben.

10 Eleőd: A kialakítás szabályai 10 A megengedett felületi nyomás miatt viszont az érintkező felületek részaránya a két esetben egymástól különböző. (A bemutatott konstrukcióknál nem lehet helyes vagy helytelen megoldásról beszélni, de hangsúlyozni kell, hogy két különböző mechanikai modellről van szó.). A problémát általánosítva, a lehetséges megoldásokat az alábbi táblázat szemlélteti. Az egyes ábrák mellett feltüntetett feszültség a csapban ébredő redukált feszültséget, a lehajlás pedig a csap legnagyobb lehajlását jelenti. - Az erő karjának csökkentése: Az erő karjának csökkentése a hajlítónyomaték csökkenését eredményezi:

11 11 Eleőd: A kialakítás szabályai A példaként bemutatott ábrán a csapágyazott tengelyre szerelt fogaskerék rögzítése különböző. Minél közelebb kerül a fogaskerék síkja az alátámasztáshoz, annál kisebb a tengely keresztmetszetét terhelő váltakozó hajlítónyomaték. A jobboldali konstrukció további előnye, hogy a súrlódásos tengelykötés miatt nem szükséges a keresztmetszet hajlítószilárdságát csökkentő reteszhorony sem. A hajlítónyomaték csökkenthető a célszerűen megtervezett csavarkötéseknél is: - A feszültség-koncentráció csökkentése: A gépelemek, gépalkatrészek többsége akaratlanul is rendelkezik feszültséggyűjtő környezettel. Lemezszerű alkatrészek esetében ilyenek például a különböző bemarások, kimunkálások, hornyok, furatok, stb.: Tengelyszerű alkatrészeknél pedig a különböző tengelyvállak, reteszhornyok, fogazatok, általában minden erő- és alakzáró kötés, stb.:

12 Eleőd: A kialakítás szabályai 12 A konstruktőrnek az a feladata, hogy a feszültséggyűjtő helyeken a feszültség-koncentrációt a lehető legkisebb mértékűre csökkentse. A feszültség-koncentráció csökkentése leghatékonyabban az anyag érzékenységének csökkentésén kívül a feszültséggyűjtő hely környezetének változtatásával (nagy lekerekítési sugár alkalmazása, a feszültséggyűjtő környezet rugalmasságának növelése könnyítések alkalmazásával, lehető legkisebb, vagy lépcsőzetes tengelyváll alkalmazása, a feszültséggyűjtő környezet felületi érdességének csökkentése, ill. ezek együttes alkalmazásával) érhető el: Az ábrán látható tengelyváll-átmeneknél a feszültség-koncentráció az (a)-tól a (g)-felé csökken. Kritikus a helyzet a csapágyvállaknál, mivel a csapágy belső gyűrűjének lekerekítési sugara egy adott és a csapágykatalógusok által kötelezően előírt lekerekítést igényel. A problémát áthidalni távtartó gyűrűvel vagy a tengelyváll alászúrásával lehet. (A távtartó gyűrű alkalmazása viszont az erőkar növekedését okozza!). Az ábrázolt csapágyvállaknál a feszültségkoncentráció balról jobbra csökken. Egy furat feszültséggyűjtő hatását alapvetően a furatbekezdés határozza meg, mivel minden alkatrészben a legnagyobb feszültség a külső, ún. szabad felületen ébred. Furatoknál tehát a furatbekezdés geometriájával és/vagy a furatbekezdés környezetének képlékeny hidegalakításával (felszilárdítással) csökkenthető a feszültség-koncentráció mértéke.

13 13 Eleőd: A kialakítás szabályai - Az érintkezési feszültség csökkentése: Minden egymással érintkező és egymáson elmozduló felület esetén a mértékadó igénybevételt a normális irányú érintkezési feszültség jelenti, amelyet ideális geometria esetén a Hertz-összefüggésekkel lehet meghatározni. A Hertz-feszültség mind pontszerű, mind vonalszerű érintkezés esetén az érintkező felületek redukált rugalmassági modulusától és redukált görbületi sugarától függ. A rugalmassági modulust állandónak véve, az alábbi ábrasorok a redukált görbületi sugár növelésére mutatnak példát. Az ábrákon a Hertzfeszültség (a)-tól (f)-ig csökken. - Az egyenszilárdság elvének alkalmazása: Az ideális egyenszilárdság csak egyszerű, egytengelyű feszültségi állapot esetén valósítható meg (pl. bepattanó kötés, hajlított lemezrugó, stb.). Az ideálishoz közelálló egyenszilárdságra viszont mindig törekedni kell, mivel ez általában a felhasznált anyagmennyiség (tömeg) szempontjából is optimális megoldást jelent. A következő ábrasorok közül az első elvi megoldásokat mutat be arra nézve, hogyan lehet tengelyszerű alkatrészek esetén az alkatrész külső és belső geometriájának változtatásával a hajlítófeszültség szempontjából nézve az egyenszilárdságot biztosítani. A második ábrasor gyakorlatiasabb megoldásokat ismertet.

14 Eleőd: A kialakítás szabályai 14 Hangsúlyozni szeretnénk azonban, hogy az egyenszilárdság mellett fokozatos figyelmet kell szentelni a szerkezeti elem alakváltozására is, mert a legtöbb esetben a megkívánt merevség az elsőrendű követelmény és éppen ez nem teszi lehetővé feszültségi állapot szempontjából ideális geometria alkalmazását! Az egyenszilárdságra való törekvésre mellett a merevség biztosítására mutat néhány példát az alábbi ábrasor:

15 15 Eleőd: A kialakítás szabályai - Megengedett, ill. összehangolt deformációk alkalmazása: Egymáshoz kapcsolódó gépelemek esetében alapvető követelmény, hogy az igénybevétel hatására az alakváltozásuk is közel azonos mértékű legyen. Ellenkező esetben a merevebb darabban olyan járulékos feszültségek ébredhetnek, amelyek az alkatrész repedéséhez, ill. töréséhez vezethetnek. Egy adott konstrukciós környezetben az igénybevétel hatására felhalmozódott rugalmas energia a merevebb környezetben feszültségtorlódást (feszültségcsúcsot) okoz, az alakváltozásra képes környezetben pedig deformációt hoz létre: 2 E rug d ill. E 2E 0 0 d 1 E rug d E d E A konstruktőr feladata, hogy megengedett deformációk figyelembevételével a legkisebb feszültséget eredményező szerkezeti megoldást alkalmazza. Átlapolt ragasztott, ill. forrasztott kötések esetében, a lefejtődés elkerülése érdekében, a lemezeket a kötés széle mentén elvékonyítják: A lemez-szélek elvékonyításának kettős előnye van, egyrészt a fokozatos vastagságnövekedés miatt kisebb lesz a feszültségkoncetráció, másrészt az elvékonyított lemezrészek nagyobb alakváltozásra lesznek képesek. Hasonlóképpen jól ismert példa a könnyített anya alkalmazása, amely a megengedett alakváltozás következtében a menetek között kialakuló terheléseloszlást teszi egyenletesebbé: Az összehangolt deformációk alkalmazására további példa a jól kivitelezett bepattanó kötés, valamint a változó merevségű befogás is: hibás helyes hibás helyes

16 Eleőd: A kialakítás szabályai 16 Nem azonos hosszúságú féltengelyekkel rendelkező hajtás esetében a hajtott kerekek azonos szögelfordulását a tengelykeresztmetszetek másodrendű nyomatékával kell biztosítani: - Az erőkiegyenlítés elvének alkalmazása: Tl1 I G Tl 2 I G 1p 2 p Egy adott konstrukción belül, ha lehetőség van rá, mindig ki kell használni az erőkiegyenlítés lehetőségét. Ismert példa erre a páros kúpgörgős csapágyak alkalmazása (lásd a csigahajtómű ábráját), többfokozatú hajtóművek áthajtó tengelyein jobb és bal foghajlás együttes alkalmazása, valamint a nyílfogú fogaskerekek: - A feladatmegosztás elvének alkalmazása: A feladatmegosztás elvének alkalmazása azt fejezi ki, hogy a tervezés során ügyelni kell arra, hogy, minden alkatrész, egy alkatrészen belül minden működő felület lehetőleg csak egyetlen funkcióval rendelkezzék. Csigatengely ágyazásánál a jelentős axiális erő felvételére általában párba épített ferdehatásvonalú csapágyakat alkalmaznak. Ezáltal viszont a másik csapágynak csak radiális terhelést kell felvennie, sőt ez a csapágy veheti fel a csigatengely hőtágulásából adódó tengelyirányú elmozdulást.

17 17 Eleőd: A kialakítás szabályai A felületek közötti feladatmegosztásra példa a tengelycsonk: A tengelycsonk minden felületelemének csak egyetlen funkciója van, így igénybevételük meghatározása, megmunkálásuk és tűrésezésük egyértelmű és egyszerű. A feladatmegosztás elvét alkalmazzuk, amikor kompozit anyagból készült gépelemet (pl. ékszíjat, bordásszíjat, stb.) használunk. A kompozit szerkezet minden alkotóelemének különkülön megvan a saját funkciója, ezek külön-külön méretezhetők, ugyanakkor egységesen biztosítják az alkatrész minden szempontból megbízható üzemelését. A megfelelő irányban elhelyezett szálerősítés biztosítja a kompozit szerkezet szilárdságát, a lágyabb anyag az alakhűséget és a kapcsolódó felületeken a szükséges súrlódást.

18 Eleőd: A kialakítás szabályai 18 Az adott gépelem anyagi sajátosságai mellett az alaki sajátosságoknak is külön funkciójuk van, az ékszíj esetében a bordázás a hűtőlevegő szállítását és a hűtést segíti elő, a bordásszíj esetében pedig a bordák biztosítják az alakzárást. - Az önsegítés elvének alkalmazása: Önsegítésen a konstrukciónak azt a tulajdonságát értjük, amikor a szerkezet alaki sajátosságaiból adódóan az aktív külső erők hatására olyan ébredő belső erők, ill. reakcióerők ébrednek, amelyek az adott szerkezet, vagy szerkezeti elem főfunkcióját erősítik, nem pedig ellene dolgoznak. Egyszerű példa erre a szakítógépek próbatesteinek kétpofás befogó szerkezete. A próbatest és az ékalakú rögzítőelemek között induláskor fellépő súrlódási erő (F S ) a rögzítőelemeket a szakítás tengelyével párhuzamosan elmozdítja, ennek következtében a rögzítőelemek befeszülnek. Az ékfelületen fellépő eredő erő (E) vízszintes komponense a szorítópofa és a próbatest közötti súrlódási erőt növeli, amelynek következtében az ékfelületen kialakuló erőkomponensek is megnőnek, a külső aktív erő (szakítóerő) növekedésével tehát az önsegítést automatikusan fenntartó erőfolyamat jön létre. Hasonló elven alapul az önzáró kúpos tengelykötés is. Minél nagyobb a tengelyirányú erő, annál nagyobb lesz a nyomatékátvitelt biztosító súrlódási erő is. Az önsegítés lényegét jól fejezi ki a belső nyomással terhelt csővezeték lezárásának két lehetséges példája is. Míg a baloldali megoldásnál a belső nyomás hatására létrejött rugalmas alakváltozás a tömör zárást nyitni igyekszi, a jobboldali esetben a belső nyomás a zárást segíti elő. Hasonló elven működnek a különböző mozgó tömítések is. A dugattyúgyűrű esetében a hengerben lévő nyomás a gyűrűhoronyban is fellép és a gyűrűt a dugattyúhoz és a hengerhez szorítja, ezáltal biztosítja a tömör zárást. A helyesen elhelyezett ajakos tömítőgyűrű belső felületén a belső üzemi nyomás (pl. a súrlódási hő hatására megnőtt belső levegőnyomás) a

19 19 Eleőd: A kialakítás szabályai tömítendő felületre szorítja. Mindkét példa esetében az üzemi nyomás a rugalmas szorítóerőhöz adódott hozzá. Az önsegítés elvén alapul többek között a tömlő nélküli gumiabroncs-keréktárcsa kapcsolat, továbbá valamennyi automata tengelykapcsoló is. - Stabilitás vagy szándékos labilitás elvének alkalmazása: A stabilitás vagy szándékos labilitás elvének tudatos alkalmazása rendkívül fontos szerepet játszik egy adott konstrukció tervezésénél. Ezáltal lehet ugyanis a mechanikai modellhez hasonlóan a valóságos szerkezeti megoldást is statikailag határozottá tenni. A befogást stabilnak tekintjük. A görgőn vagy golyón való alátámasztás viszont már labilis, de ez a labilitás szükséges ahhoz, hogy az alátámasztásnál ébredő reakcióerők iránya meghatározható legyen. A csapágyazások közül a kúpgörgős csapágyazások a tengely hőtágulásának következtében a labilissá válhatnak. Az X-ágyazás befeszülhet, az O-ágyazásnál a hézagok növekednek meg: Nem véletlen tehát, hogy a kúpgörgős csapágyak játékát a tervezőnek kell előírni és azt a szereléskor különös gondossággal kell beállítani. Súrlódó tengelykapcsolók megcsúszása túlterhelés esetén szándékos labilitással biztosított védelem A felhasznált anyag szempontjából helyes kialakítás A felhasznált anyag szempontjából helyes kialakításokat nehéz tárgyalni a gyártástechnológia figyelembevétele nélkül. A tervezőnek viszont már a tervezés első fázisában, a szilárdsági

20 Eleőd: A kialakítás szabályai 20 előtervezésnél anyagot kell választania, mégpedig az anyag mechanikai tulajdonságai alapján. Az alakadásnál pedig messzemenőkig figyelembe kell vennie az anyagnak és az alkatrésznek a külső igénybevételre adott együttes válaszát. A végeredménynek pedig olyannak kell lennie, hogy kiválasztott formák és méretek a választott anyaggal összhangban biztosítsák a szükséges élettartamot a fellépő valóságos terhelés mellett (lásd a 2. pont alatt). A homogén szerkezeti anyagok esetében az alkatrész szükséges merevségét és szilárdságát nem elsősorban és egyedül az anyag tömegének növelésével (átmérő vagy falvastagság növeléssel), hanem merevítő bordákkal, kedvező keresztmetszet- terület/másodrendű nyomaték aránnyal kell biztosítani. A merevítő elemek elhelyezését viszont az adott szerkezeti anyag terhelhetősége (mechanikai tulajdonságai) szempontjából kell megtervezni. Egy egyszerű példa erre az ábrán látható konzolos tartó: A baloldali ábrán látható elhelyezésnél a merevítő borda nyomott lesz. Ez a kedvező elhelyezés, ha a tartó anyaga öntöttvas. A jobboldali ábra szerinti elhelyezésnél a borda húzottá válik, ezt a kialakítást szívós anyagok, ill. egyes műanyag alkatrészek szempontjából célszerűbb. A vasalapú, homogén kristályszerkezettel rendelkező ötvözetek alkalmazásának egyik előnye, hogy a megkívánt statikus és élettartam szilárdság egyrészt a megmunkálási technológiákkal, másrészt a különböző hőkezelési technológiákkal rendkívül széles tartományban változtatható. További előnye ennek az anyagtípusnak a jó alakíthatóság. Hátránya viszont, hogy egy alkatrész tömegét csak a térfogatával lehet csökkenteni, mivel a vasalapú fémek és ötvözetek sűrűsége gyakorlatilag azonos. A nem vasfémek és ötvözetek alkalmazásának fellendülését a tömegcsökkentés igénye váltotta ki. A könnyűfém szerkezeti anyagok esetében, az acélénál lényegesen kisebb rugalmassági modulusuk miatt, másfajta konstrukciós elveket kell alkalmazni, például az alkatrész szükséges merevségét és szilárdságát nem az anyag térfogatának növelésével (átmérő vagy falvastagság növeléssel), hanem kedvező keresztmetszet- terület/másodrendű nyomaték aránnyal kell biztosítani. A fémes szerkezeti anyagok mellett a gépelemek és gépszerkezetek gyártásánál is egyre nagyobb teret nyernek a különböző műanyagok (műszaki polimerek és kompozitok). A polimer anyagból készült alkatrészek kialakításának szabályai a könnyűfém alkatrészekéhez hasonlíthatók. A homogén szerkezeti anyagok közül a lágy alumínium és a lágy műanyagok (nem térhálós polimerek) kellemetlen mechanikai tulajdonsága a kúszás vagy tartósfolyás, aminek következtében ezekben az anyagokban a statikus folyáshatárnál kisebb feszültség hatására is megindul a folyás, ill. a szakítószilárdságnál kisebb kezdeti feszültség hatására is bekövetkezhet a törés. Amennyiben egyéb okok miatt a tartósfolyásra hajlamos anyagok felhasználása elkerülhetetlen, a szín alumínium helyett ötvözött alumíniumot, alumínium

21 21 Eleőd: A kialakítás szabályai kompozitot, a lágy műanyag helyett pedig kompozit anyagot kell alkalmazni. Az ötvözött alumíniumban a másodlagosan kiváló komplex fémes vegyületek akadályozzák meg a diszlokációk írreverzibilis mozgását. A homogén anyagok kedvező tulajdonságainak erősítésére és a kedvezőtlenek hatásainak csökkentésére alkalmazzák az ún. társított anyagokat, más néven kompozitokat. A kompozit anyagok a legkülönbözőbb párosítású anyagok lehetnek, de a gyakorlatban minden kompzitnak két alapvető alkotóeleme van, egy lágyabb kitöltő vagy ágyazó anyag (mátrix) és egy, a szilárdságot biztosító ún. erősítő anyag. A két alkotóelem lehet egyazon anyagnak különböző formája (pl. szénszál erősítésű amorf karbon kompozit, ill. kerámiaszál erősítésű kerámia kompozit). A kompozit szerkezet minden alkotóelemének külön-külön megvan a saját funkciója, ezek külön-külön méretezhetők, ugyanakkor egységesen biztosítják az alkatrész minden szempontból megbízható üzemelését. A szemcse-, ill. szálerősítésű kompozitokban a megfelelő irányban elhelyezett erősítések megakadályozzák a tartósfolyást. A kompozit anyagokon kívül a porkohászati termékek jelentik a korszerű szerkezeti anyagok másik nagy csoportját. A porkohászat a korszerű tömeggyártási technológiáknak és a különleges anyagok megmunkálásának egyik legdinamikusabban fejlődő ága. A porkohászati anyagok komponenseit nem oldódásos úton elegyítik (az olvadáspont feletti hőmérsékleten, folyékony halmazállapotban), hanem mikro- és nanoszemcsék szobahőmérsékleten való összesajtolása és az így kapott szerkezet utólagos hőkezelése révén, a szemcsék felülete között kialakult kohéziós kötéseknek köszönhetően. Az így létrejött anyagszerkezet egymással kohéziós kötést alkotó részecskékből áll, összességében inhomogén, képlékeny alakváltozásra csak igen korlátozott mértékig alkalmas, viszont a szemcséken belül az anyag megőrzi az eredeti homogén kristályszerkezetét. Ez a kettősség egyedülálló mikroszerkezettani és mechanikai tulajdonságokat biztosít a porkohászati termékeknek. Az új szerkezeti anyagok csoportjába tartoznak a különböző műszaki kerámiák is, amelyeket homogén állapotban is, de ma már egyre inkább kompozit formájukban alkalmaznak. Az új anyagok természetesen új szerkesztési irányelveket igényelnek. Az új szerkezeti anyagok felhasználásának, ill. tervezésének irányelvei viszont még nem kristályosodtak ki olymértékben, mint a hagyományos, szerkezetükben homogénnak tartott anyagoké. Elsőként inkább a fizikai és mechanikai tulajdonságaikat kutatták, a bevált konstrukciós megoldásokat pedig ritkán publikálják. Az iparban felhasznált szerkezeti anyagok palettája jelenleg nagy változás előtt áll. A gépjárműiparban például idáig a vasalapú fémek jelentették a felhasznált szerkezeti anyagok csaknem 100%-t. Mára viszont már az ötvözött könnyűfémek, a porkohászati anyagok és a kompozitok kerültek előtérbe:

22 Eleőd: A kialakítás szabályai 22 A repülőgépiparban a változás nem ennyire éles, korábban kezdődött és lassabban megy végbe: Az új anyagoknak megfelelően természetesen új szerkesztési irányelvek szerint kell az egyes alkatrészeket megtervezni. Sőt általában nem csak az új anyagból készült alkatrészt kell újratervezni, hanem a kapcsolódó alkatrészeket is. Az új szerkezeti anyagok felhasználásának, ill. tervezésének irányelvei még nem kristályosodtak ki olymértékben, mint a hagyományos, szerkezetükben homogénnak tartott anyagoké. Elsőként inkább a fizikai és mechanikai tulajdonságokat kutatták, a bevált konstrukciós megoldásokat pedig ritkán publikálják. A továbbiakban néhány olyan táblázatot ismertetünk, amelyek legalább az új szerkezeti anyagok felhasználásához és méretezéséhez nyújthatnak némi támpontot. - Kerámiák: A kerámiákat a fémektől az különbözteti meg, hogy hiányzik a villamos vezetést és az alakíthatóságot lehetővé tévő elektronfelhő. Ezért rendszerint igen nagy a villamos ellenállásuk és ridegek is. A szerves anyagoktól és a polimerektől abban különböznek, hogy nem gyenge Van der Waals erőkkel összetartott molekulákból állnak, hanem szerkezetüket az atomok szabályos térbeli elrendeződése jellemzi. Az Al 2 O 3 kerámia tulajdonságai:

23 23 Eleőd: A kialakítás szabályai A Si 3 N 4 kerámia tulajdonságai: - Kompozitok: A homogén anyagok kedvező tulajdonságainak erősítésére és a kedvezőtlen tulajdonságainak csökkentésére alkalmazzák az ún. társított anyagokat, más néven kompozitokat. A kompozitok a legkülönbözőbb párosítású anyagok lehetnek, de a gyakorlatban minden kompzitnak két alapvető alkotóeleme van, egy lágyabb ágyazó anyag (mátrix) és egy, a szilárdságot biztosító ún. erősítő anyag. Az erősítés tekintetében megkülönböztetünk részecske erősítésű és szálerősítésű kompozitokat. A kompozitokban már általánosan alkalmazott erősítő szálak és tűkristályok (whiskerek) tulajdonságai:

24 Eleőd: A kialakítás szabályai 24 Összehasonlításként a TiC-részecskékkel, ill. SiC-szálakkal erősített Al 2 O 3 kompozit szilárdsági tulajdonságai: A különböző kompozitok gyártási eljárásait és alkalmazási területeit foglalják össze a következő táblázatok. Kerámiaszál erősítésű kompozitok:

25 25 Eleőd: A kialakítás szabályai Fémszállal erősített fémmátrixú kompozitok:

26 Eleőd: A kialakítás szabályai 26 A táblázatokból is következik, hogy az anyagválasztást és a választott anyag megmunkálási technológiáit nem lehet egymástól teljesen függetlenül kezelni, a felhasznált anyag szempontjából helyes kialakításokra ezért további példák a gyártáshelyes kialakítások c. alpont alatt találhatók Szabványoknak megfelelő kialakítás Szabványhelyes kialakításnak azt nevezzük, ha az alkatrész, vagy a konstrukció minden vonatkozó szabványnak eleget tesz. A nemzeti, ill. nemzetközi szabványok alkalmazása ma már nem kötelező érvényű, de figyelembevételük továbbra is ajánlott. Amennyiben viszont a csereszabatosság, a kereskedelmi áruk beépíthetősége, a gyors és szakszervízt nem igénylő javítás szükségessége követelményként jelentkezik, a szabványok minél nagyobb mértékű alkalmazása elkerülhetetlen. Az ágazati és az üzemi szabványok alkalmazása viszont a minőségbiztosítás szempontjából nézve fontos kritérium.

27 27 Eleőd: A kialakítás szabályai A megmunkálásokkal kapcsolatos szabványok figyelembevétele (felületi minőség, tűrések, illesztések, lekerekítések, élletörések, stb.) ugyancsak a minőségbiztosítás szempontjából elengedhetetlen. Egyrészt a megmunkáló szerszámok tűrése és élgeometriája ezekkel áll összhangban, másrészt a megmunkált felületek minősítése a szabványos értékeken alapuló kategóriák szerint történik Ergonómiailag helyes kialakítás A tervezés három alapszabályának érvényesítése az ergonómiailag helyes kialakításra való törekvéskor alapvető fontosságú. Minden olyan berendezés kialakításánál, amely az emberrel közvetlen kapcsolatba kerül, alapvető szempont, hogy az ember-gép kapcsolat egyszerű és áttekinthető, egyértelmű és mind a munkavégzésre, mind a munkát végző személyre, mind pedig a környezetre nézve teljesen biztonságos legyen. Törekedni kell az emberi méretek és arányok és az emberi terhelhetőség figyelembevételére, a könnyű hozzáférhetőség, az áttekinthetőség és az egyszerű működtetés megvalósítására. Az alábbi ábra az átlagos emberi méreteket tünteti fel. A táblázatban feltüntetett értékek csak tájékoztató jellegű átlagértékek, ha a tervezett konstrukciónak egy konkrét testrészhez kell igazodnia, célszerű az adott méret állíthatóságának lehetőségét biztosítani. Az ember által kifejthető erők nagysága igen széles tartományban változik. A kézi erő értéke függ a mozgás síkjától, az erőkifejtés közben a kéz(kar) elmozdulásának nagyságától, valamint az erőkifejtés irányától. Tájékoztató értékként, vízszintes síkban max. 20 N, függőleges síkban max. 130 N kézi erővel (kötélhúzás esetén max. 500 N húzóerő kifejtésével) lehet számolni, míg a lábbal kifejthető nyomóerő maximális értékét N- nak lehet tekinteni Dinamikai-lengéstani viselkedés szempontjából helyes kialakítás, zajszegény konstrukció

28 Eleőd: A kialakítás szabályai 28 Periodikus mozgást végző vagy periodikusan terhelt szerkezeti elemek rugalmasságuknál fogva rezgéseket, ill. lengéseket gerjeszthetnek. Ha a külső igénybevétel frekvenciája megegyezik a test önrezgésszámával, akkor rezonancia következik be, amelynek hatására a gerjesztett kitérések amplitúdója egyre nagyobb lesz. Ha a gerjesztett rendszer ebben az állapotában marad, akkor a rezgés vagy lengés amplitúdója igen gyorsan a lehetséges maximális érték felé konvergál, ami a zaj növekedését, végső esetben az alkatrész törését eredményezi. Az alakadás során, amennyiben erre mód nyílik, meg kell keresni a gerjesztő frekvenciákat (pl. külső erők, ill. a csapágyak vagy fogaskerekek által gerjesztett rezgések frekvenciáit, vagy egy rugalmas lengőrendszer lehetséges lengésszámait), valamint az egyes alkatrészek sajátfrekvenciáit, és ellenőrizni kell, hogy az üzemi állapot elegendően távol vane a rezonanciától. A gerjesztés frekvenciája csapágyak esetében a gördülőelemek számával, fogaskerekek esetén pedig az időegység alatt kapcsolódó fogak számával van összefüggésben. Forgó tengely esetén a gerjesztés frekvenciáját a tengely aktuális fordulatszáma jelenti. Az egyes alkatrészek sajátfrekvenciáit, ill. kritikus lengésszámát elemi úton csak hengerszimmetrikus, tengelyszerű alkatrészek esetén lehet meghatározni, számítógépes közelítő eljárásokkal (pl. végeselemes módszerrel) viszont tetszőleges geometriájú alkatrész (pl. hajtóműház) sajátfrekvenciáját is meghatározhatjuk. Konstrukciós módszerekkel egyrészt a gerjesztés intenzitását lehet csökkenteni (pl. a hézagok csökkentésével), másrészt a rezgésre, ill. lengésre hajlamos szerkezeti elem sajátfrekvenciáját lehet a gerjesztéshez képest elhangolni. A gerjesztés intenzitásának csökkentése a megengedett deformációk elvén alapuló rugalmasabb ágyazásokkal, vagy amennyiben erre lehetőség nyílik, nagy belső súrlódással és ezáltal csillapító hatással rendelkező, lágyabb szerkezeti anyagok (pl. polimerek, kompozit anyagok) alkalmazásával lehetséges. Lényegesen eredményesebben lehet viszont a rezgésre, ill. lengésre hajlamos, gerjesztett szerkezeti elemek sajátfrekvenciáit a merevségük növelésével elhangolni (pl. célszerűen elhelyezett merevítő bordákkal) Gyártáshelyes kialakítás A gyártáshelyes kialakításra való törekvés a konstruktőr legnehezebb feladata, mivel ilyenkor egyszemélyben tervezőnek, technológusnak és gazdasági szakembernek is kell lennie. Ma már a gazdaságos technológia kiválasztását, ill. a megmunkálhatóság és gazdaságosság ellenőrzését szoftverek segítségével végezheti a tervező. A technológia kiválasztását nem a minden áron való gyárthatóság, hanem elsősorban a gazdaságos gyártásra való törekvés motiválja. A gazdaságosságra való törekvés megköveteli, hogy már az első technológiai lépés után az alkatrész alakja minél jobban megközelítse a végleges formát, továbbá, hogy a végleges kialakítás minél kevesebb technológiai lépéssel elérhető legyen. Ez a követelmény csak akkor teljesülhet, ha már a tervezés során figyelembe vesszük a technológiai sajátosságokat is, azaz az alkatrészt olyan kialakításúra tervezzük, hogy az a választott technológiával egyszerűen és biztonságosan elkészíthető legyen. Minden gyártástechnológiának megvannak a sajátosságai, amelyek a tervezőnek már az alakadásnál figyelembe kell(ene) vennie. Lehetőség van természetesen később is egy-egy alkatrész kiváltására más, célszerűbb vagy gazdaságosabb technológiával gyártott alkatrésszel. Ebben az esetben viszont általában az egész beépítési környezet kismértékű áttervezésére is szükség van, ami a költségeket növeli (lásd a bevezetőben leírottakat).

29 29 Eleőd: A kialakítás szabályai Mielőtt az egyes technológiák sajátosságait részletesebben ismertetnénk, nézzünk meg néhány példát az elhangzottakra. Az első ábra egy gépjármű kerékcsapágy csapágyfedelének különböző kialakításait mutatja (a gyakorlatban mindhárom megoldásra találni példát). Láthatóan a lemezanyagból mélyhúzással gyártott és utána berogyasztott alkatrész tűnik a legegyszerűbbnek. Ez igaz, de csak abban az esetben, ha a csapágyfedélnek a szennyeződés bejutásának megakadályozásán kívül semmi más funkciója nincs. A mélyhúzás gazdaságossága, mint ahogy azt később látni fogjuk, csak nagy sorozat gyártása esetén valósul meg. Az INA csapágygyár újítása a tengelykapcsoló kinyomócsapágy belső (kinyomó) gyűrűjének mélyhúzott gyűrűvel való kiváltása. A lemezgyűrűt mélyhúzás és rogyasztás után betétedzik és a futófelületet köszörülik: Az újítás eredményeként a konkurencia termékeinél kb. 40%-al kisebb tömegű terméket kínálhattak az autógyáraknak. Úgyszintén a gépjárművek tömegének csökkentésére való törekvés vezetett a kerékcsapágy rögzítésére hagyományosan alkalmazott koronás anyának a lecserélésére: Az alkalmazott megoldással (anya + ráhúzott korona) egyrészt megspórolták a korona tömegét (kb. 30%), másrészt a feladatmegosztás elvét alkalmazva mindkét alkatrésznek csupán egyegy funkciója (a főfunkciója) maradt, az anyának a szorítás, a koronának a biztosítás. Így a korona már készülhet alumíniumból is. Kisméretű nyomástartó edények fenékrészének kialakítása a hagyományos megoldás szerint két részből, a mélyhúzott félgömbalakú tartályfenékből és a fenékrészre hegesztett lábrészből áll. A domború fenékrész visszanyomásával a hegesztési varrat okozta gyengítő hatást ki lehet küszöbölni és a második alkatrészt el lehet hagyni:

30 Eleőd: A kialakítás szabályai 30 A gyártáshelyes konstrukciók kialakításának alapelveit nem lehet különválasztani a megmunkálási technológiáktól. Ezért a továbbiakban a szerkesztési alapelveket és konstrukciós megoldásokat a megmunkálási technológiák szempontjából ismertetjük Öntött alkatrészek kialakításának alapelvei Az öntészet a formaadás egyik legrégebbi, nagy szabadságot biztosító módszere. Általában bonyolult alakú, egyedi darabok vagy kis sorozatok gyártásához alkalmazzák, de a teljesen automatizált öntési eljárások nagy sorozatok gazdaságos gyártására is alkalmasak. Öntéssel gyakorlatilag minden anyag feldolgozható, de az ötvözési rendszerben azok a legjobban önthető ötvözetek, amelyek vegyi összetétele közel van az eutektikus összetételhez. Ezek az ötvözetek a legkisebb olvadáspontúak és ezeknél a legkisebb a dermedési hőköz (a liquidus és solidus hőmérsékletek közötti különbség). Az öntési eljárások általános jellemzőit a következő táblázat foglalja össze: Az öntési eljárások általános jellemzői: Öntési eljárások és jellemzőik Homokforma Gravitációs kokilla Nyomásos Centrifugál Preciziós Alkalmazható ötvözetek tetszőleges Al-, Cu-, Zn-alapú ötvözetek tetszőleges Falvastagság min. [mm] ,8-1,5 Mechanikai tulajdonságok elfogadható jó nagyon jó a legjobb jó Felületi minőség elfogadható jó nagyon jó elfogadható nagyon jó Alakadási szabadság Relatív ár kis darabszámnál Relatív ár nagy darabszámnál Pontosság (d<100 mm) A változtatás rugalmassága jó jó nagyon jó gyenge nagyon jó a legkisebb nagy igen nagy közepes nagy közepes kicsi legkisebb nagy nagy rossz ±1 mm jó ±0,2 mm legjobb ±0,02-0,2 mm elfogadható jobb ±0,05 mm legjobb gyenge leggyengébb jó jó Az öntvények kialakításánál figyelembe veendő általános szempontok (az egyes öntési technológiák egyedi sajátosságain kívül): a formából való kiemelést öntési ferdeséggel és az élek lekerekítésével kell biztosítani:

31 31 Eleőd: A kialakítás szabályai az öntés után megmunkált felületeket ki kell emelni (ráhagyás, felöntés) és a forgácsoló szerszám számára jól hozzáférhetővé kell tenni: az öntvény szilárdságát a falvastagság növelése helyett bordák alkalmazásával kell biztosítani:

32 Eleőd: A kialakítás szabályai 32 Az öntvény külső alakját a forma, belső üregét a mag adja meg. A mag az öntőformának egy olyan része, amelyik az öntött darab kiemelésekor biztosan megsérül, tehát minden darab után újra kell készíteni. Ezért a magra való öntés drágább és eggyel több hibalehetőséget jelenthet. Az öntvényekkel szemben támasztott általános követelményként nem, de ajánlásként már meg lehet fogalmazni, hogy ahol lehetőség nyílik rá, az alkatrészt úgy kell kialakítani, hogy ne kelljen magot alkalmazni.

33 33 Eleőd: A kialakítás szabályai Ha a mag alkalmazása elkerülhetetlen, akkor törekedni kell a lehetőség szerinti egyszerű, hengeres mag felhasználására. az üreg-, ill. repedésképződés elkerülése érdekében elő kell segíteni az alkatrész minden részének egyenletes lehűlését az anyaghalmozódás és a hőátadó felületek nagyságának ugrásszerű növekedésének/csökkenésének megszüntetésével. az X jellegű (merőleges kereszteződésű) bordák helyett Y vagy K jellegű bordák alkalmazásával jelentősen csökkenthető a bordák találkozásánál felgyülemlő anyagmennyiség, ezáltal csökkenthető az egyenlőtlen lehűlésből eredő repedési veszély: Az öntést követő megszilárdulás jelentős zsugorodással jár, és ennek következtében vetemedés is kialakulhat. A hőleadás a külső felületek mentén mindig jelentősebb, mint a belső felületeken. A kívülről befelé szilárduló öntvényben, a fokozatos zsugorodás (méretcsökkenés) következtében, a belső, legkésőbb megszilárduló részében üregek képződhetnek. Ennek veszélye a nagy falvastagságok vagy keresztmetszet változások esetében fokozottan fennáll. Az üregképződés elkerülése érdekében, az egyenletes falvastagságra való

34 Eleőd: A kialakítás szabályai 34 törekvés mellett, az öntés során biztosítani kell az anyag pótlólagos hozzáfolyási lehetőségét, a beömlési helyek felé fokozatosan növekvő keresztmetszet átmenetekkel. A megszilárdult állapotban folytatódó lehűlés szintén zsugorodással jár, aminek következtében a nagy keresztmetszet változások (lépcsők), előnytelenül elhelyezett bordák, stb. esetében az egyenetlen lehűlés inhomogén deformációs mezők kialakulását eredményezi. Az inhomogén deformációs mezők pedig vetemedést, maradó feszültségek kialakulását, kedvezőtlen esetben repedést okozhatnak. Ez utóbbi sokszor csak az öntvény megmunkálásakor jelentkezik. E kockázat az öntvény célszerű kialakításával, az ábrákon javasolt arányok betartásával, ill. utólagos feszültségmentesítő hőkezeléssel csökkenthető Képlékenyalakítással gyártott alkatrészek kialakításának alapelvei A képlékenyalakítás, néhány kivételes esettől eltekintve, tipikusan a nagy sorozatgyártás technológiája. Szerszám- és gépigénye annál költségesebb, minél közelebb van az alakított alkatrész alakja a késztermékhez. A képlékenyalakító technológiák termelékenysége viszont messze meghaladja az egyéb gyártástechnológiák termelékenységét, ezért nagy darabszámok esetén jóval gazdaságosabb a forgácsoló megmunkálásoknál. A képlékenyalakítás anyag- és energiaigényét a forgácsoláshoz és az öntéshez képest az alábbi táblázat szemlélteti vázlatosan: Az alakítás hőmérsékletének függvényében megkülönböztetünk meleg- és hidegalakítást, ill. a kettő előnyeit bizonyos mértékig ötvöző ún. félmeleg alakítást. Az alakított anyag szempontjából mindhárom esetben megkülönböztethetünk térfogatalakító technológiákat, ill. lemezalakító technológiákat. Az alakítás hőmérsékletének függvényében az alakítás során a munkadarabban lejátszódó folyamatok egymástól eltérőek és ez az eltérés különböző mechanikai tulajdonságokat biztosít az alakított darabnak. Melegalakítást olyan hőmérsékleten végeznek (T alakítás >T rekrisztallizáció >0.5T olvadás ), amelyen a regenerációs folyamatok az alakváltozással együtt mennek végbe. A melegalakítás során az anyag szerkezetében dinamikus poligonizáció (szubszemcse szerkezet) és dinamikus rekrisztallizáció játszódik le. A melegalakítás állandósult szakaszára az állandó, vagy nagyon kis mértékben változó alakítási szilárdság (aktuális folyáshatár) és a nagy alakváltozóképesség a jellemző:

35 35 Eleőd: A kialakítás szabályai A melegalakítást a rekrisztallizációs hőmérséklet alatt fejezik be, így az alakított anyag emlékszik az alakváltozás folyamatára, a szubszemcsék irányítottsága (szálirány), amely követte az anyagáramlás irányát, az alakítás után is megmarad. A szálirány kialakulása határozza meg a melegen alakított alkatrészek legfontosabb mechanikai tulajdonságát. A száliránnyal rendelkező alkatrészek (pl. forgattyústengely) szilárdsága dinamikus igénybevétellel szemben sokkal kedvezőbb, mint a forgácsolt alkatrészeké, mivel a forgácsolás során az előgyártmány szálirányát átvágjuk. forgácsolt kovácsolt forgácsolt kovácsolt forgácsolt kovácsolt Az alkatrészgyártás melegalakító technológiája a kovácsolás (szabadalakító kovácsolás, süllyesztékes kovácsolás, vízszintes kovácsolás, kör- és finomkovácsolás, támolygó alakítás). A kovácsolási technológiák közül a süllyesztékes kovácsolás rendelkezik a legtöbb olyan technológiai sajátossággal, amit a tervezőnek egy kovácsolt alkatrész tervezésénél figyelembe kell vennie. Nevezetesen a formakitöltést, az osztósíkot és a sorjaképződést. A következő ábrán szereplő hajtókar példájával nem egy kovácsdarab tervezésének, hanem magának a kovácsolt alkatrésznek a sajátosságait szeretnénk bemutatni, felhívva a figyelmet arra, hogy milyen kötöttségekkel kell a tervezőnek számolnia akkor, ha a tervezett alkatrész kovácsolt előgyártmányból készül. Mint minden képlékenyalakító technológiánál, a süllyesztékes kovácsolásnál is az a cél, hogy a kovácsolt előgyártmány minél közelebb álljon a készgyártmányhoz, azaz minél kevesebbet kelljen forgácsolással utánmunkálni. Ennek megfelelően a nyersen maradó felületek végleges alakját és felületminőségét a kovácsolás határozza meg.