A TERVEZŐ HÁRMAS FELADATA (Vázlat)

Átírás

1 A TERVEZŐ HÁRMAS FELADATA (Vázlat) A mérnök feladata A mérnökök feladata, hogy megtalálják egy műszaki alkotás, egy műszaki probléma megoldását, és azt a lehetőségek adott határain belül: az anyag, a szerkezeti kialakítás, a gyártástechnológia, az ember-termék kapcsolat minősége, a ráfordítás (költség és idő) szempontjából optimálják. Optimálás: csak egy adott cél szerint lehetséges! 1

2 Műszaki alkotások körei Bármely feladatkörben találunk közösen előforduló, ismétlődő szerkezeti elemeket/részegységeket. Ezeket nevezzük gépelemeknek. A tervező/fejlesztő munkája A feladat: nem determinisztikus, sokoldalú és átfogó tevékenység, alapját egy sor tudományág adja, matematika, mechanika, anyagtan, technológia, áramlástan, hőtan, gazdaságtan, stb. és mind jobban felhasználja az ergonómia, az esztétika, a formatervezés, a marketing, és más határ-társadalomtudományok ismereteit 2

3 A tervezés/fejlesztés alapfeladatai Tárgyunk szerkezete átfogja a tervező alapfeladatait: kötések: erővel, alakkal, anyaggal záróak; funkciói: erő és/vagy nyomaték vezetése; térképzés elemei: csövek, szerelvények, nyomástartó edények, tömítések, funkciói: közegek elhatárolás a környezettől, azok szállítása, áramlásuk szabályozása, stb. rugók, rugórendszerek: különféle fém és gumirugók (polimer rugók); funkciói: energiatárolás, csillapítás, dinamikai rendszerek hangolása, stb. ágyazások: sikló- és gördülőcsapágyak és csapágyazások; funkciói: erőátadás mozgás mellett; hajtások, hajtásrendszerek: tengelyek, tengelykapcsolók, fogazott elemek, szíjak, láncok, dörzshajtások, funkciói: teljesítmény (nyomaték) vezetése, átalakítása. A tervező feladata A mérnök tevékenysége többszörös kölcsönhatásban van a társadalom tagjaival, egy rendszer részeként dolgozik. Munkáját a műszaki-tudományos szempontok mellett vezérli: a minőség (Q), a költségek, a (határ)idő. 3

4 A tervező helye egy minőségirányítási rendszerben Minőségirányítási rendszerek: ISO 9000, TS 16949, Környezetközpontú irányítási rendszer: ISO és mások. A tervező hármas feladata A tervező/fejlesztő kezdetben három ismeretlennel szembesül. Ezek: a szerkezeti elem terhelése, az igénybevételi ill. a határállapota, valamint a geometriai kialakítása, a mérete. 4

5 A tervező feladatai A tervező első feladata: a méretezés/ellenőrzés alapjául szolgáló terhelések meghatározása. Terhelés alatt mindazokat a külső hatásokat értjük, amelyek hatással vannak a szerkezeti elem működésére, élettartamára, használhatóságára: A gépszerkezeteket a következő terhelések érik: Külső erők, külső nyomatékok, önsúly Környezetből eredő terhelések: pl. szélterhelés, hóterhelés, vízterhelés,közlekedésből eredő rezgések, földrengések, földcsuszamlások Környezeti hatások: pl. hőhatás, vegyi hatás, erózió, sugárzás. A tervező feladatai A tervező második feladata: a szerkezet helyes működése szempontjából még megengedhető hatások és igénybevételi állapotok határainak feltárása. (Röviden: az igénybevételi és a határállapotok feltárása) 5

6 Tönkremenetel, meghibásodás okai Okok lehetnek: - a terhelés alatt elmozduló felületeken fellépő súrlódás hatása (pl.: melegedés, kopás, berágódás), - hőmérsékletmező hatása (pl.: anyagtulajdonság változás, hőtágulás, hőfeszültségek), - meg nem engedhető mozgás ( pl.: rezgés, lengés), - különféle közegek, sugárzások hatásai (pl.:korrózió,duzzadás, öregedés, anyagtulajdonságváltozás), - villamos, optikai, egyéb tulajdonságok változása, - biológiai károsodás, -stb. A tönkremeneteli folyamat A tönkremeneteli folyamatok elvezethetnek: a használati érték csökkenéséhez, szükségessé váló felújításhoz, karbantartáshoz, a legveszélyesebb módhoz, a végleges károsodáshoz, töréshez. Károsodási formák Statikus törés (horpadás, repedés, szakadás, leválás) Fáradt törés (repedés, kagylós törés) Maradó alakváltozás Felületi kifáradás, repedés, gödrösödés, lehámlás, Kopás, kavitáció Korrózió. A törés kapcsolatban van az elem feszültségi- és alakváltozási (rugalmas, képlékeny, kúszási, relaxációs, stb.) állapotával. Megjegyzés: további tárgyalásunkban elsősorban a rugalmasságtan egyszerű anyagmodelljét, a Hooke-törvényt, mint anyagtörvényt fogjuk alkalmazni, de esetenként kitekintünk a rugalmas-képlékeny határállapotra, mint a teherbírási tartalékok feltárására alkalmas modellre illetve a törésmechanika tanításaira is. 6

7 A tervező feladatai A tervezőmérnök harmadik feladata: a méretezés. Ennek során megtervezi a szerkezeti elem geometriai kialakítását, méretét oly módon, hogy az általa már meghatározott terhelésből kiindulva számítja az igénybevételi állapotot, és ezt összevetve az általa előírt határállapottal megállapítja, hogy az elem biztonsága (megbízhatósága) megfelelő-e. Biztonság (tényező) = A határállapotot jellemző érték Az igénybevételi állapotot jellemző érték A határállapot jelenthet használatra való alkalmatlanságot is. Pl. kívánatosnál nagyobb alakváltozás, kihajlás, horpadás, kopás, stb. Kötések Alakkal záró kötések (Vázlat) 7

8 Kötések FUNKCIÓJA: Erő vagy nyomaték vezetése relatív nyugalomban lévő szerkezeti elemek között. OSZTÁLYOZÁSUK: Fizikai hatáselv szerint: Erővel záró kötések (súrlódási erő) Alakkal záró kötések Anyaggal záró kötések (hegesztés, forrasztás, ragasztás) Kötések osztályozása Szerelés szerint: Oldható Oldhatatlan Elemek szerint Közvetlen kapcsolatú Közvetítőelemes kapcsolatú DEFINÍCIÓ: A kötések feladata az alkatrészek néhányvagy valamennyi szabadságfok szerinti relatív elmozdulásának megakadályozása az alkatrészek közötti terhelés átadása alatt. 8

9 Alakkal záró kötések méretezése Az alakkal záró kötések méretezésének lépéseivel: A terhelések és kényszerek meghatározása Hatásfelületek meghatározása (terhelésátadó felületek: nyomott felület, veszélyes keresztmetszet) az erőfolyam alapján. Egységnyi felületre eső terhelés meghatározása (átlagos nyomás, igénybevétel) Összehasonlítás a határállapottal (megengedett igénybevétel) n = (biztonsági tényező) Különlegességek elemzése pl.: szállítókeresztmetszetben ébredő feszültség kiszámítása; gyűrűfeszültség meghatározása; stb. Szegecskötés 9

10 Alakkal záró kötések fajtái (fémek) Szegecskötés készítése Fejezõ szerszám Od 2 Od k l1,75)d l k ( 3... Ellentámasz Szegecs átmérő [mm] Ajánlott játék [mm] 0,3 0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Szegecsek A leggyakoribb szegecsfajták Félgömbfejû szegecs Süllyesztettfejû szegecs Lencsefejû szegecs Alcsony félgömbfejû szegecs Szíjszegecs Csõszegecs Csõszegecs gépkocsi fék- és tengelykapcsoló betétekhez 10

11 Vakszegecsek Robbanás Húzás Nyomás Szegecskötés Egynyírású és kétnyírású szegecskötések 11

12 Szegecskötések Szegecskötés A szegecsszár igénybevétele főleg nyírás, ritkán húzás. A nyírt szegecs palástfelületét felületi nyomás terheli. Sem a feszültségek, sem a palástnyomás nem haladhatja meg a megengedett értéket, különben a kötés károsodik. A d átmérőjű szegecs igénybevétele, az azt terhelő F nyíróerő ismeretében, a következőképpen számítható: a szegecsszár keresztmetszetében ébredő nyírófeszültség: a palástnyomás: p F sd 4F d i 2 ahol s a szegecsszár terhelt hossza (pl. a lemez vastagsága), i a nyírt keresztmetszetek száma. Egynyírású szegecsnél i=1, kétnyírású szegecsnél i=2 12

13 Szegecskötés méretezése a) Egynyírású (m=1) b) Kétnyírású (m=2) Számítási modell Tényleges nyomáseloszlás a Nyírófeszültség F nma azul, Palástnyomás p l F nds min Szeg és csapszeg kötések Oldható kötések, amelyek feladata: az alkatrészek összekötése, rögzítése, menesztése, megfogása, központosítása, biztosítása, helyzetbe állítása stb. A szegkötések rögzítenek, tájolnak, általában elmozdulást nem engednek meg. A szegek kialakítása szabványos. Vannak: hengeres és kúpos szegek (esetleg kihúzó menettel), felhasított rugózó szegek, illesztő szegek, hasított szegek stb. A szegek anyaga rendszerint acél. Lehet normalizált, nemesített vagy betétedzett szerkezeti acél, rugóacél stb. 13

14 Szeg és csapszeg kötések Szegek Csapszegek Szeg és csapszeg kötések A csapszegkötések gyakran elmozdulást megengedő kötések, csuklós kapcsolatok. A csapszeg az egyik elemben mindig lazán illeszkedik. A csapszegek kialakítása szabványos: sima hengeres csapszeg, hengeres csapszeg sasszeg furattal, fejes csapszeg, menetes csapos csapszeg. Kiesés ellen a csapszegeket sasszeggel, rugós rögzítő gyűrűkkel (pl. Seeger gyűrű), anyával stb. biztosítják. A csapszegek anyaga általában szerkezeti acél, nagyszilárdságú nemesített vagy edzett acél. 14

15 Csapszegkötések A szegek és csapszegek keresztmetszetének igénybevétele nyírás és hajlítás, az erőt átadó felületén palástnyomás. A szorosan illesztett szegekben főleg nyírás. A lazán illesztett csapszegekben a hajlító feszültség jelentős. A palástnyomást is ellenőrizni kell. Szegkötések méretezése: Csapszegkötések M F bmax, b bzul s zul Wb AS p F F (im Stange), p (in der Gabel) p db 2dt p zul 15

16 Csapszegkötések Nyomatékkötések (tengelykötések) Funkciója: nyomaték továbbítása tengely és agy között, esetenként axiális erő átvitele is. A nyomatékkötések osztályozása hatásmechanizmus szerint: alakkal záró kötés; erővel záró kötés; anyaggal záró kötés. Kialakítás szerint: közvetítőelemmel kapcsolódik; közvetlenül kapcsolódik. Szabályozhatóság szerint állítható; nem állítható. 16

17 Alakkal záró nyomatékkötések Közvetítőelemes tengelykötések: reteszkötések fészkesretesz ívesretesz siklóretesz (axiális elmozdulás esetén) szegkötések Közvetlen kapcsolatú tengelykötések. bordástengely - agy bordafogazatú kötés poligon tengelykötés homlokfogazatú Reteszkötés Előnye: egyszerű felépítés; egyszerű szerelés; szabványosított; megbízható méretezési eljárás. Hátrányai: kegyensúlyozatlanságot okoz, ezért nagy fordulatszámra nem alkalmas; gazdaságtalan, nagy tengely átmérőt kell választani; nem alkalmas alternáló nyomaték átvitelére. Fészkes retesz Íves retesz 17

18 Reteszkötés méretezése 2M 1. Terhelések meghatározása: F d ahol M az átviendő nyomaték, F a kötést terhelő kerületi erő. Reteszkötés méretezése 4. Összehasonlítás a határállapottal: 5. Egyebek: 2. Hatásfelületek meghatározása: nyomott felület: A p l b h t f veszélyes keresztmetszet: A b l (jelöléseket lásd az ábrán) 3. Egységnyi felültre eső terhelés meghatározása: átlagos felületi nyomás: F p A p átlagos nyíró feszültség: F A p p meg szállító keresztmetszetben ébredő nyírófeszültség: ahol K p a tengely poláris keresztmetszeti tényezője. agyvastagság (v) ellenőrzése: tapasztalat alapján: meg cs M K p meg v 0,3..0, 35d 18

19 Szegkötések a) hengeres szeg b) kúposszeg c) hasított illesztőszeg Szegkötések A nyomott felület és a veszélyes keresztmetszet keresztirányú és tengelyirányú szegkötés esetén 19

20 Szegkötések méretezése p max d D 2 D M dd t M t pmax 2 p zul p F max dt( D t) M t pmax M D d 4 4M Dd 2 t t s 2 M t dt( D t) zul p max dl 2 D 2 M t p max 4M t dld p zul F S 2M t D dl 2M t Ddl Bordástengely - agy 20

21 Bordástengely - agy Előnye: a terhelés átadás a kerület mentén közel egyenletesen oszlik meg; kis helyen nagy terhelés vihető át; nincs kiegyensúlyozatlanság; alkalmas tengelyirányú pozíció változtatására; egyszerű szerelés; méretei szabványosítva vannak. Hátrányai: tömeggyártás esetén gazdaságos. Bordafogazatú tengelykötések 21

22 Bordafogazatú tengelykötések a) barázdafogazatú tengelykötés (ékfogazat) b) evolvens fogazatú tengelykötés Előnyük: kedvezőbb a terheléskihasználtsága, mint a bordástengelyé; gyártásához és a méretellenőrzéshez használhatók a fogaskerékgyártó ipar gyártóeszközei és műszerezettsége nincs kiegyensúlyozatlanság; alkalmas tengelyirányú pozíció változtatására; egyszerű szerelés; méretei szabványosítva vannak. Hátrányai: tömeggyártás esetén gazdaságos. Poligon tengelykötések Előnyük: önközpontosító; a tengely keresztmetszete sima, a feszültséggyűjtő hatás kicsi, ezért használata időben változó és dinamikus terhelések esetén kedvező; nincs kiegyensúlyozatlanság. 22

23 Poligon tengelykötések Hátrányai: gyártása csak speciális szerszámgépekkel lehetséges; nagy helyi felületi nyomások miatt az agy csak jó minőségű anyagból készíthető; az agy szilárdsági ellenőrzésének nehézsége; drága. 23