Inżynieria wytwarzania IV semestr Laboratorium

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Inżynieria wytwarzania

Semestr IV

Laboratorium




2

Temat 1 (1h): Budowa i charakterystyka sprzęgieł

Sprzęgłem nazywamy zespół służący do łączenia wałów. Dzięki zastosowaniu sprzęgła można

oddzielnie wykonywać silniki, zespoły napędowe i mechanizmy robocze, a następnie łączyć je w

trakcie montażu. W zależności od narzuconych wymagań odnośnie pracy istnieje wiele rozwiązań

konstrukcyjnych sprzęgieł. Ogólne warunki zastosowania poszczególnych typów sprzęgieł, niektóre

sprzęgła można stosować zamiennie, a na wybór konkretnego rozwiązania mogą mieć wpływ takie

czynniki, jak np.: warunki eksploatacyjne, gabaryty maszyny, koszt zastosowanego sprzęgła (co ma

wpływ na cenę gotowego zespołu), konieczność rozłączania wałów w czasie pracy i wiele innych.

a) sprzęgła sztywne – stosujemy w wypadku, gdy podczas montażu można dokładnie ustawić wały

względem siebie i ustawienie to nie zmienia się podczas eksploatacji maszyny. Do tej grupy zaliczane

są sprzęgła: tulejowe, łubkowe, tarczowe (nie mylić z tarczowymi ciernymi). W szczególnym

wypadku sprzęgła sztywne mogą pracować jako sprzęgła bezpieczeństwa – po przekroczeniu

określonego obciążenia element łączący sprzęgło z wałem zostaje zerwany.

b) sprzęgła podatne – stosowane w celu umożliwienia sprężystych odkształceń skrętnych wałów.

Stosuje się sprzęgła podatne z wkładkami gumowymi.

c) sprzęgła przegubowe - stosuje się do łączenia wałów przecinających się pod kątem różnym od zera.

Sprzęgło to może także kompensować zmiany kąta między osiami wałów (sprzęgło Cardana, sprzęgło

przegubowe kulkowe, sprzęgło przegubowe kulowe synchroniczne),

d) sprzęgła włączalne – stosowane w wypadku konieczności łączenia i rozłączania zespołów w trakcie

ich pracy. Zadanie to mogą spełniać sprzęgła cierne tarczowe, cierne wielopłytkowe, sprzęgła kłowe

itp.

e) sprzęgła samonastawne – umożliwiają niewielkie zmiany względnego położenia osi wałów (zmiany

takie są niejednokrotnie wynikiem wadliwego montażu). Można tu stosować sprzęgła sworzniowe,

krzyżakowe, łańcuchowe, zębate i inne.

f) sprzęgła cierne – są sprzęgłami włączanymi asynchronicznie, umożliwiającymi włączanie przy

różnych prędkościach obrotowych wałów czynnego i biernego. Łączniki sprzęgła w stanie

rozłączonym nie stykają się ze sobą. Włączenie sprzęgła polega na dociśnięciu łączników, wskutek

czego powstają siły tarcia na powierzchniach styku. Siły te powodują obracanie się wału biernego aż

do zrównania prędkości obrotowych wałów. W stanie włączonym przy zapewnieniu odpowiednio

dużej siły docisku łączniki dzięki tarciu między nimi poruszają się wspólnie. W czasie włączania

istnieje poślizg między łącznikami. Dzięki temu można zrealizować łagodny rozruch maszyny




3

napędzanej o regulowanym przebiegu. Jest to ważna zaleta sprzęgieł ciernych, powodująca ich

szerokie zastosowanie.

g) sprzęgła odśrodkowe – posiadają luźne łączniki, które przy obrocie członu czynnego sprzęgła są

dociskane wskutek bezwładności do części biernej. Stosowane są jako sprzęgła rozruchowe i mają

wszelkie cechy sprzęgieł ciernych.

h) sprzęgła jednokierunkowe – służą do przenoszenia momentu w jednym kierunku. Moment

przenoszony jest, jeżeli prędkość kątowa wału czynnego jest większa niż wału biernego przy tym

samym kierunku ruchu.

Rys. 1 Podział sprzęgieł

Sprzęgła cierne – przełączane asynchroniczne

Działanie takich sprzęgieł polega na tym, że obydwa człony są dociskane do siebie

odpowiednio dużą siłą, dzięki czemu powstaje siła tarcia, umożliwiająca przeniesienie momentu

obrotowego. Sprzęgła te przeznaczone są do łączenia wałów obracających się z różnymi prędkościami

obrotowymi, zapewniając płynny rozruch bez szarpnięć i drgań. Łącznikiem są pary cierne, wykonane

z materiałów wytrzymałych na naciski, obciążenia cieplne i odpornych na zużycie oraz o dużym

współczynniku tarcia. W zależności od cech geometrycznych łącznika (kształtu) rozróżnia się wiele




4

odmian konstrukcyjnych tych sprzęgieł, różniących się kierunkiem i sposobem wywoływania siły

dociskającej, kształtem powierzchni łącznika, liczbą powierzchni ciernych.

W zależności od kierunku działania siły docisku Pw można wyróżnić sprzęgła włączane

promieniowo, osiowo i obwodowo. Kształt powierzchni ciernych może być płaski (c, e) walcowy (a,

b, h, j, k) lub stożkowy (d, f, g). Gdy pod uwagę weźmie się liczbę powierzchni ciernych sprzęgła

mogą być wielotarczowe - przy dość małych wymiarach przenoszą duże momenty obrotowe (e, f, g, j)

i jednotarczowe - przy takim samym momencie lepiej oddają ciepło są jednak znacznie większe i

droższe (a, b, c, d, h, k).

Rys. 2 Odmiany konstrukcyjne sprzęgieł ciernych

Proces włączania sprzęgła ciernego składa się z dwóch etapów:

I. Poślizgu sprzęgła przy nieruchomym wale napędzanym, trwa on do czasu, póki narastający w

procesie włączania sprzęgła moment obrotowy Mt jest mniejszy od początkowego momentu

oporu M2 na wale biernym (mały przy rozruchu maszyn na biegu jałowym, duży przy




5

rozruchu pod obciążeniem). Energia napędu potrzebna do rozpędzenia wału biernego

zamienia się na ciepło.

II. Poślizg sprzęgła przy rozpędzającym się wale napędzanym, trwa on do czasu, póki prędkość

obrotowa wału biernego nie zrówna się z prędkością wału czynnego. Połowa energii napędu w

czasie rozruchu na wale biernym zamieniana jest na ciepło. Zamiana mocy w ciepło następuje

jedynie w okresie występowania poślizgu pomiędzy członami sprzęgła.

Rys. 3 Przebieg włączania maszyny przy użyciu sprzęgła ciernego

Jeżeli moment tarcia Mt i moment oporu maszyny roboczej M2 zakłada się jako stałe w

określonym czasie, to moment rozruchowy w napędzie

constMMMtr

=−=2




6

Przyspieszenie kątowe wału napędzanego:

2I

Mr=ε

Czas potrzebny do wyrównania prędkości kątowych obydwu członków sprzęgła wyniesie:

r

r M

It 020

ωεω ==

By po załączeniu sprzęgło pracowało bez poślizgu powinien być spełniony warunek: moment tarcia

spoczynkowego Mt0 przy włączonym sprzęgle będzie większy od największej chwilowej wartości

przenoszonego momentu obrotowego:

00kMM

t>

Moment tarcia przy znanej konstrukcji sprzęgła obliczamy z zależności:

śrtNRM µ=

0

gdzie: µ - współczynnik tarcia między wykładzinami sprzęgła, N – wypadkowa nacisków normalnych

na powierzchni tarcia, Rśr – obliczeniowy promień tarcia

( )minmax

5,0 RRRśr

+≈

gdzie: Rmax i Rmin – odpowiednio największy i najmniejszy promień powierzchni tarcia.

Przenoszony przez sprzęgło moment obrotowy obliczamy przy założeniu równomiernego rozkładu

nacisków jednostkowych na wykładzinach ciernych.

Rys. 4 Schemat sprzęgła ciernego dwutarczowego




7

Średni nacisk między tarczami ciernymi:

( )dop

śr

ww PbD

P

DD

Pp ≤=

−=

ππ 2

1

2

0

4

lub gdy znamy moment tarcia

dop

śr

t PbD

Mp ≤=

πµ0

0

2

gdzie: Pw – siła włączania sprzęgła, b – robocza szerokość tarcz, Dśr - średnia średnica roboczej

powierzchni tarcz.

Zaleca się by stosunek (współczynnik Ψ) roboczej szerokości b i średniej średnicy tarcz Dśr był w

przybliżeniu równy 0,25.

Jeżeli wybrano materiał na okładziny o znanym nacisku dopuszczalnym, to można wyznaczyć

konieczna liczbę powierzchni tarcia:

zśrdopkDp

Mz

3

02

ψπµ=

gdzie: kz – współczynnik uwzględniający liczbę tarcz ciernych w sprzęgle

kz = 0,76 – 1 dla z = 3 – 11. Dla sprzęgieł suchych kz = 1.

W sprzęgłach ciernych o pochylonych względem osi powierzchniach ciernych potrzebna siła

docisku tarcz jest znacznie mniejsza niż w sprzęgłach tarczowych. Schemat działania sił w sprzęgle

stożkowym przedstawia rysunek poniżej.

Rys. 5 Schemat sprzęgła ciernego stożkowego




8

Siła tarcia na powierzchniach ciernej jest równa sile obwodowej działającej na sprzęgło:

NPT µ==0

gdzie: N- nacisk normalny na powierzchni ciernej, pochodzący od siły docisku tarcz.

W przypadku równomiernego nacisku na powierzchniach ciernych uzyskuje się:

+=+=µ

ααµ

ααµ sincos

2sincos0

0

śr

w D

MPP

Moment tarcia przenoszony przez sprzęgło wynosi:

2

000 222 śr

śrśr

tbDp

DN

DPM µπµ ===

W zależności od wielkości nachylenia powierzchni ciernych do osi sprzęgła α oraz kąta tarcia

µ = tg ρ sprzęgła stożkowe mogą być samohamowne lub niesamohamowne. Warunek

samohamowności sprzęgła stożkowego ma postać:

µα ≤tg lub ρα ≤

Dla uniknięcia zaklinowania sprzęgła, uniemożliwiającego wyłączenie sprzęgła, należy

przyjmować α ≥ arctg µ = ρ. Przykładowo dla materiałów ciernych metalowych α ≥ 6-7° a

dla pary ciernej skóra - metal α ≥ 12°30’.

Jeżeli znamy materiał pary ciernej i przyjmiemy równowartość momentu tarcia Mt0 z

przenoszonym momentem obrotowym M0, możemy wyznaczyć szerokość tarczy ciernej:

2

02

śrdop

t

Dp

Mb

πµ=




9

Budowa stanowiska

Rys. 6 Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko składa się z (rys. 6):

• Układu napędzającego 1 (silnik z przekładnią pasową)

• Sprzęgła zanurzonego w oleju 2

• Hamulca ciernego taśmowego 3

• Obrotościomierza 4

Silnik zasilany jest prądem przemiennym poprzez falownik, przeniesienie obrotów następuje

poprzez przekładnie pasową. Dzięki zastosowaniu falownika uzyskuje się płynną regulacje

obrotów. Badane sprzęgło cierne umieszczone jest w pojemniku z olejem (rys. 7), który służy

do odprowadzania nadmiaru ciepła powstającego podczas poślizgu sprzęgła.

Rys. 7 Sprzęgło zanurzone w oleju




10

Do załączenia sprzęgła służy specjalna dzwignia widoczna na rysunku 6. Natomiast do

wywołania odpowiedniej siły hamowania (obciążania sprzęgła) służy druga dzwignia, którą

obciąża się ciężarkami o znanej masie. Poślizg sprzęgła wyznacza się na podstawie różnicy

obrotów przed i za sprzęgłem, do czego służy obrotościomierz. Odczytuje on obroty dzięki

czujnikom, które zliczają zęby na specjalnych tarczach zamocowanych na wale przed i za

sprzęgłem.

Ćwiczenie polega na tym, że obciążamy załączone sprzęgło znaną siła wywołaną ciężarkami

o znanej masie powodując wzrost momentu obciążającego (symulujący przeciążenie

maszyny), który powoduje poślizg pomiędzy tarczami sprzęgła. Wartość tego poślizgu

wyznaczamy z różnicy prędkości i wykreślamy krzywą, funkcje poślizgu w zależności od

momentu obciążającego.

Temat 2: Budowa i charakterystyka przekładni (1h)

Przekładnia mechaniczna – mechanizm służący do przenoszenia energii, zazwyczaj wraz ze

zmianą prędkości obrotowej i momentu.

Przyczyny stosowania przekładni mechanicznych:

• Funkcjonalne: konieczność dostosowania prędkości obrotowej napędu do maszyny

roboczej, zmiana kierunku obrotów maszyny, wymagany jest większy moment niż

jest w stanie wytworzyć silnik.

• Konstrukcyjne: konieczność przeniesienia napędu na pewną odległość (silnik musi

być oddalony od układu roboczego), zmniejszenie gabarytu maszyny poprzez

ustawienie równoległe silnika i układu roboczego.

• Ekonomiczne: możliwość zastosowania jednego układu napędowego do kilku

układów roboczych, możliwość zastosowania tańszego silnika z przekładnią

wielostopniową dla uzyskania większego zakresu prędkości maszyny roboczej.

Ze względu na element przenoszący moment przekładnie dzielimy na:

• Bezpośrednie – przeniesienie napędu występuje między dwoma elementami.

• Pośrednie – w przeniesieniu napędu występuje dodatkowy element.




11

Przekładnie mechaniczne możemy podzielić również ze względu na sposób przekazywania

napędu na:

• Cierne – przeniesienie napędu oparte jest na tarciu między dwoma powierzchniami.

• Kształtowe – przeniesienie napędu oparte jest na zazębianiu się elementów.

Zaletami przekładni ciernych bezpośrednich są: prosta konstrukcja, brak elementów

dodatkowych, odporność na przeciążenia. Natomiast wady to: duży poślizg = mała

sprawność, brak możliwości synchronizacji położenia.

Przekładnie cierne pośrednie, w których łącznikiem jest pas klinowy lub płaski, maja

następujące zalety: prosta konstrukcja, możliwe przekazywanie napędu na dużych

odległościach, mała wrażliwość na niedokładności wykonawcze. Ich wady to: poślizg na

pasach – spadek mocy (zmniejszona sprawność), brak możliwości synchronizacji położenia.

Przekładnia łańcuchowa charakteryzuje się następującymi zaletami: dużą wytrzymałością,

możliwością przekazywania napędu na dużych odległościach, brakiem poślizgu. Do wad

zaliczamy: dodatkowy, skomplikowany element, duża głośność.

Przekładnia zębata, czyli kształtowa bezpośrednia posiada następujące zalety: najwyższa

sprawność (0,98 – 0,99), duża niezawodność, małe zużycie, duża zwartość, możliwość

przenoszenia dużych mocy. Wady takich przekładni to: hałaśliwość, duży koszt wykonania,

brak odporności na przeciążenia.

Przekładnie zębate możemy podzielić ze względu na miejsce zazębienia na: przekładnie o

zazębieniu zewnętrznym i wewnętrznym.

a) b)

Rys. 8 przekładnie zębate a) zazębienie zewnętrzne b) zazębienie wewnętrzne

Ze względu na ruchomość osi możemy podzielić na: przekładnie o osiach stałych i planetarne

(przynajmniej jedna oś przemieszcza się względem korpusu).




12

Ze względu na położenie wzajemne osi możemy podzielić na: przekładnie równoległe,

kątowe o osiach przecinających się, wichrowate (hipoidalne) osie obu kół nie przecinają się.

Ze względu na kształt kół zębatych przekładnie dzielimy na: walcowe, stożkowe, ślimakowe.

Natomiast ze względu na kształt linii zęba przekładnie dzielimy na: o zębach prostych, o

zębach śrubowych, o zębach daszkowych i o zębach łukowych.

Dla zapewnienia łatwego wchodzenia zęba jednego koła we wrąb drugiego koła, między

zębami pozostawia się pewne określone luzy, które zabezpieczają przed skutkami

niedokładności wykonania, rozszerzalnością cieplną oraz ułatwiają ruch oleju. Z drugiej

strony zbyt duże luzy mogą powodować wzrost hałasu, wzrost nacisków o złe zużywanie się

zębów. Rozróżniamy następujące luzy:

• Luz wierzchołkowy c – najmniejsza odległość w osi O1O2 między walcem stop

jednego koła a walcem wierzchołków koła współpracującego.

• Luz międzyzębny jn – najkrótsza odległość między niepracującymi bokami zęba przy

istnieniu kontaktu boków pracujących.

• Luz obwodowy jt – długość łuku tocznego, o który można obrócić koło, aby

doprowadzić boki niepracujące do styku

Rys. 9 Luzy w przekładni zębatej




13

Ćwiczenie polega na zmierzeniu i wyregulowaniu obwodowych luzów międzyzębnych w

przekładni napędzającej rozrząd w silnikach B 3012 SS. Mierzenie luzów odbywa się przy

pomocy drutu cynowego bądź ołowianego, który odciska się pomiędzy zębami przekładni i

mierzy się grubość odcisku za pomocą suwmiarki. Uzyskane wartości porównuje się z

wartościami normatywnymi i dokonuje się ewentualnej regulacji. Regulacja luzów odbywa

się za pomocą specjalnego mechanizmu mimośrodowego, składający się z mimośrodowej

tulei i wałka z mimośrodem, który zaprojektowano specjalnie dla tej przekładni. Mechanizm

mimośrodowy pozwala na zmianę położenia osi koła pośredniego względem osi koła

głównego o koła rozrządu o w ten sposób wyregulowanie luzu.

Temat 3: Budowa wybranych urządzeń mechatronicznych (1h)

Urządzenie mechatroniczne - jest to urządzenie o budowie modułowej, którego głównym i

ostatecznym zadaniem jest wykonanie czynności mechanicznej (pracy).

Aby urządzenie można było nazwać mechatronicznym musi ono zawierać 3 podstawowe

moduły:

• Moduł sterowania zawierający mikroprocesor lub mikrokomputer, a w bardziej

skomplikowanych konstrukcjach jednostkę CPU - procesor. W module strowania

wykorzystywane są również mikrokontrolery.

• Moduł wykonawczy.

• Moduł sensorów.

W ćwiczeniu tym będziemy omawiać wybrane urządzenia mechatroniczne takie jak

sterowany cyfrowo zawór pneumatyczny.




14

Rys. 10 Fragment stanowiska do badania zaworu pneumatycznego sterowanego cyfrowo

Rys.11 Stanowisko badawcze z zaworem, układem napędowym wirnika zaworu i siłownikiem z tłoczyskiem

opartym sprężyście

Rys. 12 Widok siłownika pneumatycznego z tłoczyskiem oparty sztywno




15

Rys. 13 Widok siłownika pneumatycznego z tłoczyskiem opartym sprężyście

Temat 4 (4h): Budowa wybranych typów maszyn technologicznych (projektowanie)

W grupie maszyn produkcyjnych najważniejszą grupę stanowią maszyny technologiczne

przeznaczone do wykonywania różnorodnych elementów maszyn i urządzeń.

W zależności od różnych technologii maszyny technologiczne dzielimy na:

- maszyny do obróbki skrawaniem (obrabiarki skrawające),

- maszyny do obróbki plastycznej,

- maszyny i urządzenia odlewnicze,

- maszyny do łączenia i spawania metali,

- maszyny do przetwarzania tworzyw sztucznych,

- maszyny do obróbki erozyjnej.

Każda obrabiarka do metali składa się z pewnej liczby zespołów posiadających różne

mechanizmy, które w zależności od rodzaju obrabiarki i wykonywanej na niej pracy nadają

zespołom lub ich elementom ściśle określone ruchy. Mechanizmy składają się z elementów,

które tworzą pary kinematyczne (np. zazębiające się koła zębate, śruba z nakrętką itp.).

Natomiast szereg par współpracujących ze sobą tworzy łańcuch kinematyczny. Łańcuch

kinematyczny może otrzymywać ruch bezpośrednio ze źródła napędu albo za pośrednictwem

innego łańcucha kinematycznego.

Łańcuch kinematyczny zewnętrzny to taki łańcuch, który przenosi ruch ze źródła napędu na

mechanizmy robocze obrabiarki i mający wpływ na szybkość ruchu głównego i posuwowego.




16

Łańcuch kinematyczny wewnętrzny to taki, który ma wpływ na kształtowanie powierzchni

obrabianej. Dwa lub więcej łańcuchów kinematycznych, powiązanych ze sobą funkcjonalnie

tworzy układ kinematyczny obrabiarki.

Schemat kinematyczny jest to przestawienie w postaci rysunku złożonego z symboli

graficznych układu kinematycznego obrabiarki. Czytanie schematów kinematycznych

wymaga poznania symboli stosowanych do oznaczeń elementów obrabiarki.

Rys. 14 Układ kinematyczny tokarki kłowej uniwersalnej, typ TUM-25

Klasyfikacja obrabiarek skrawających:

a) tokarki:

• uchwytowe,

• kłowe,

• tarczowe,

• rewolwerowe,

• karuzelowe,




17

• zataczarki,

b) wiertarki:

• stołowe,

• stojakowe,

• współrzędnościowe,

c) frezarki:

• poziome,

• pionowe,

• wiertarko-frezarki,

d) wytaczarki,

e) piły,

f) strugarki: poprzeczne, wzdłużne, dłutownice

g) przeciągarki,

h) szlifierki:

• do płaszczyzn,

• do otworów,

• dogładzarki,

• docieraczki,

• polerki,

Budowa tokarki typu TUM 25

Rys. 15 Elementy obsługi tokarki TUM-25a.




18

Ćwiczenie będzie polegało na zaprojektowaniu 6 stopniowej skrzynki prędkości w układzie

3x2 i przedstawieniu rysunkowym schematu kinematycznego oraz wykresu strukturalnego

takiej skrzynki.

Temat 5 (4h): Projektowanie organizacji montażu

Projektowanie zorientowane na wytwarzanie i montaż

DFMA (Design for Manufacturing and Assembly)

Rosnąca złożoność problemów inżynierskich, krótkie czasy realizacji projektów, czy

konieczność wielokryterialnej optymalizacji wyrobu sprawiają, że spełnienie wszystkich

wymagań stawianych konstrukcji nie jest zadaniem łatwym. Projekt końcowy winien być,

bowiem spełnieniem oczekiwań klientów, ale także inżynierów odpowiedzialnych za

wytwarzanie, serwis czy utylizację. Aby ułatwić spojrzenie na produkt z wielu perspektyw,

często stosuje się metodologię DFMA (ang. Design for Manufacturing and Assembly) -

projektowanie zorientowane na wytwarzanie i montaż. Przywołana filozofia projektowania

polega na uwzględnieniu wszystkich głównych etapów życia wyrobu (z akcentem na

wytwarzanie i montaż) już na wczesnym etapie konstruowanie produktu. Odzwierciedlenie

większości wymagań stawianych produktowi pozwala przede wszystkim zadowolić klienta,

ale co równie ważne - poprawić jakość wyrobu, obniżyć koszty produkcji oraz skrócić czas

wytwarzania.




19

Rys. 16 Montaż jako składnik procesu produkcyjnego

Istotność projektowania dla montażu wynika z faktu, że koszty montażu stanowią znaczną

część całkowitego kosztu wytwarzania. Dlatego sposób i kolejność montażu powinny być

przedmiotem analizy realizowanej we wczesnych etapach projektowania, a wybór struktury i

postaci konstrukcyjnej powinien uwzględniać wymagania montażu.

Temat 6 (4h): Projektowanie współbieżne na przykładzie statku

Inżynieria wytwarzania IV semestr Laboratorium

Documents

Transcript of Inżynieria wytwarzania IV semestr Laboratorium