OBLASTI STROJÍRENSTVÍ

hutní prvo- a druhovýroba (plechy, dráty, šrouby aj.)

výroba obráběcích a tvářecích strojů, zařízení pro strojírenskou výrobu

dopravní technika (automobily, letadla, kolej. vozidla, lodě, jeřáby, dopravníky aj.)

stroje stavební, úpravárenské, pro zemní práce, důlní, zemědělské

stroje pro chemický a potravinářský průmysl a sklárny

energetické strojírenství (kotle, turbiny, jaderná zařízení)

technika tekutin (čerpadla, kompresory, chlazení, hydro- a pneu mechanismy)

technika prostředí (vytápění, větrání, klimatizace)

stroje pro textilní průmysl, oděvnictví, obuvnictví, spotřební průmysl

stroje dřevozpracující a pro nábytkářský průmysl

přístrojová a automatizační technika a optika

silnoproudá elektrotechnika

slaboproudá elektrotechnika, elektronika, mikroelektronika aj.

Úvod do předmětu KONSTRUKCE I

Používané jednotky:

soustava MKSA (metr, kilogram, sekunda, Ampér, Kelvin, mol, kandela a další odvozené)

pro technické výpočty v oblasti dimenzování (pevnostní kontroly) obvykle mm, N, 1 MPa = 1 N/mm2

v literatuře také jednotky anglické – délky v palcích, stopách, yardech (1inch = 1 in = 25,4 mm, 1 ft = 12 in = 304,8 mm,

1 yd = 3 ft = 36 in = 914,4 mm, 1 Eng. mile = 1760 yds = 1609,34 m)

- plocha square inch, square foot, objem cub. inch, cub. ft, cub. yd,

- hmotnost libra 1 lbm = 0,45359243 kg, long ton 1T = 2240 lbm,

- síla libra, pound, 1 lbf = 4,448222 N = 0,45359243 kp (pro gravitační zrychlení g = 9,80665 m.s-2 )

- tlak, namáhání libra na square inch (lbf, pound per square inch) 1 psi = 6894,757 Pa = 0,006894757 MPa,

násobky nejsou po 10, např. 1 long ton má 20 Hundred-cent, 1 long ton má 80 quarters, quarter má 28 lbf,

- proto 1 T = 80 . 28 = 2240 lbm, libra má 16 uncí (ounce oz), 1 oz = 28,34953 g,

pro technické výpočty jsou důležité jednotky pro namáhání a tlak

- měření tlaku výškou sloupce tech. atmosféra 1 at = 735,5 Tor = 735,5 mm Hg = 104 mm H2O = 0,0980665 MPa = 1 kp/cm2 ,

- atmosférický tlak (fyzikální atmosféra – uhlad. moře) 1 atm = 760 mm Hg = 10332 mm H2O = 0,10133316 MPa,

- měření barometrického tlaku v barech 1 b = 1000 mb = 750,062 mm Hg (Tor) = 0,100008096 MPa.

V technických výpočtech se zpravidla zanedbává odchylka hodnoty grav. zrychlení od 10 m/s2, takže 1 kp = 10 N atd.

ZÁKLADY PEVNOSTNÍCH VÝPOČTŮ STROJNÍCH ČÁSTÍ

Poruchy a havárie jsou podnětem rozvoje vědy v určité oblasti (mechanika, pružnost a pevnost)

Namáhání strojních částí - statické

Tah – tlak – smyk - ohyb – krut a kombinace,

napjatost jednoosá a víceosá, plasticita

Namáhání ve smyku τ Problémy stability – vzpěr,

zhroucení při ohybu, vybočení při krutu,

boulení tenkých stěn.

Namáhání v dotyku – Hertzova teorie.

matice

axiální ložisko

závitová tyč

nůžkový zvedák

dílenský zvedák

Navrhování konstrukcí

Základní pojem - bezpečnost

Koeficient bezpečnosti k je v nejjednodušším případě poměr mezní

přípustné hodnoty namáhání ke skutečnému namáhání. Mezní hodnota

je odvozena od vlastností použitého materiálu, podmínek zatěžování a

požadavků na provoz zařízení (osobní výtah proti dopravníku na uhlí).

Skutečné namáhání je ovlivněno přesností způsobu jeho stanovení

(metoda výpočtu, experimentální stanovení).

k =

σpř

σ

k = 1,1 až 12

Určení mezní přípustné hodnoty namáhání :

Stanovení mechanických vlastností materiálu obvykle vychází z měření v laboratoři – trhací stroj a diagram zkoušky v tahu.

Zkoušky jsou statické a dynamické (meze kluzu, pevnosti a meze únavy, tvrdost).

trhací stroj tvrdoměr Vickers, Brinell, Rockwell

Vlastnosti konstrukčních materiálů a jejich zkoušení

Konstrukční ocel – tahová zkouška a Hookeův zákon, závislost F a Δl, resp. σ a ε mez úměrnosti σU [MPa]

mez pružnosti σE [MPa]

mez kluzu σKt [MPa]

mez 0,2 σ0,2 [Mpa]

mez pevnosti σPt [MPa]

součinitel kontrakce m [ - ]

Poissonova konstanta μ [ - ]

modul pružnosti tah E [MPa]

modul pružnosti smyk G [MPa]

tažnost δ [ % ]

vrubová houževnatost av [N.m-1]

tvrdost HB, HRB, HRC, HV [MPa]

Zkoušky provozní, technologické,

spektrální analýza,

měření tvrdosti, Charpyho kladivo

kontrakcí se průřez zmenšuje

σ = F

A ε =

Δl

l

Charpyho kladivo

C )

¨b )

a) schéma

b) malé

c) velké

Rázová pevnost (vrubová houževnatost)

Konstrukční oceli – vlastnosti :

Označení

oceli

Mez

průtažnosti

ϬKt

[MPa]

Mez

pevnosti

ϬPt

[MPa]

Tažnost

δ

%

Obsah uhlíku

C

%

Mez únavy

střídavý tah

tlak ϬC

[MPa]

Mez únavy

střídavý ohyb

ϬC

[MPa]

Mez únavy

střídavý krut

τC

[MPa]

Tvrdost

podle

Brinella

HB

11 340 340 30 0,12 96

11 370 270 370 25 0,15 120 190 110 104

11 420 280 420 25 0,25 135 240 120 118

11 500 360 500 22 0,35 180 270 160 141

11 600 400 600 17 0,45 200 310 180 169

11 700 700 12 0,6 230 197

Důležité konstanty pro oceli: modul pružnosti v tahu E = 2,16 .105 MPa

modul pružnosti ve smyku G = 8,5 .104 MPa

součinitel tepelné roztažnosti α = 18 .10-6 K-1

Poissonovo číslo μ = 0,3

hustota ρ = 7,85 . 103 kg . m-3 (měrná tíha γ = 7850 kp . m-3)

měrná tepelná kapacita c = 0,461 kJ . kg-1 . K-1

tepelná vodivost λ = 47 W . m-1 . K-1

vrubová houževnatost aV = práce / plocha = 1 MPa . m

tvrdost (měkká ocel o pevnosti 500 MPa) HB = 140 (Brinell)

Únavový lom (křehký lom)

Lom se rozvíjí od počáteční poruchy

(trhlinka) s postupným zmenšováním

nosného průřezu.

Wöhlerova křivka

Pro různá namáhání vydrží materiál větší či menší počet zatěžovacích cyklů,

než dojde k poruše. W. křivka je složena z bodů, které odpovídají poruše v

případě jednoho zatěžování (cyklicky a stejné namáhání).

N

Časově proměnné zatěžování a únava

Tepavé pulzující zatížení σm a σa ≠ 0 Střídavé namáhání σm = 0

horní napětí σh

střední napětí σm

amplituda napětí σa

počet cyklů N

Wöhlerova křivka σa – N

pro střídavé nebo míjivé namáhání

Wöhlerova křivka

v logaritmických

souřadnicích

0

0

Účinky vrubů a trvalá/časovaná pevnost

Vruby vyvolávají nerovnoměrné rozložení napětí a špičky napětí

velikost špičky napětí ovlivní tvar vrubu (např. poměr poloměru zaoblení k průměru plochy aj.)

charakter povrchu může vést ke vzniku trhlin

velikost průřezů vede k spádu napětí (gradientu)

materiály vykazují různou citlivost k vrubům

Meze únavy pro zkušební vzorek σC a pro skutečnou součást s vrubem σCX

σCX = σC .

Vo . ηp

β

β = 1 + (α -1) . ηC

diagram

a) Smithův

b) Haighův

a b

Smith Haigh

Hypotézy pevnosti pro kombinaci namáhání ohyb (tah) a krut

Guest, Mohr maximálního smykového namáhání (pro tvrdou ocel) α0 = 2

Huber-Mises-Hencky největší přetvárné práce (HMH pro měkkou ocel) α0 = √ 3

σmax = √ σ2 + (α0 .τ)2 ≤ σD

Kontakty a namáhání v místě dotyku podle Hertze

Kontakt dvou koulí, dvou válců – poloměry R1 a R2 , moduly pružnosti E1 a E2

Poissonova čísla μ1 a μ2 a přítlačná síla F

pro dvě koule je šířka stykové plošky úměrná F1/3 stejně jako napětí, přiblížení je úměrné F2/3

pro dva válce je šířka stykové plošky úměrná F1/2 stejně jako napětí, přiblížení je úměrné F

Tvrdost a její měření (pevnost úměrná tvrdosti – rychlé zjištění kvality materiálu)

Brinell HB

Rockwel HRC, HRB

Vickers HV

Shore

tvrdoměr Poldi

Základy normalizace a technického strojnického kreslení Řady vyvolených čísel (geometrické řady s kvocientem √10 ), výkresy sestav, výkresy výrobní, montážní,

svařovací sestavy, používání řezů, částečných pohledů, detailů, rozvinů aj.

Kótování na výkresech, pozice, popisová pole, razítko, rozpiska, kusovník.

Označování přesnosti (lícování, tolerance), drsnosti, další popisy (rýhování, tepelné úpravy aj.).

Značení materiálů a polotovarů.

Číslování výkresů a další údaje.

Programové balíky CAD – modeláře, podpora výkresů, soubory norem, komponent aj.

r

Ukázky výkresů sestav a detailů (výrobních výkresů součástí), viz např. www.fs.cvut.cz

Výroba a přesnost – lícování, kalibry, lícovací soustava.

Na tomto snímku uvedená témata jsou probírána v předmětech Technické kreslení (550TK) a Materiály a technologie (550MT).

Postup návrhu strojního celku

Návrh konstrukce může být : empirický (zkušenosti, empirie)

algoritmický (exaktní zákonitosti včetně postupů optimalizace)

kombinovaný

Moderní metody navrhování : rapid prototyping

reversní inženýrství

Rapid prototyping využívá vytváření reálných modelů z 3D modelů v elektronickém formátu, které jsou výstupem CAD

programů (AutoCAD, Unigraphics, Solid Edge, Solid Works, ProEngineer aj.). Reálné modely z plastů,

papíru, práškových kovů aj. produkuje počítačová periferie stereolitograf, 3D tiskárna aj.

Reversní inženýrství spojuje práci uměleckého designéra s prací konstruktéra. Modely vytvořené designérem jsou

snímány 3D skenerem a převáděny do elektronického 3D formátu (např. STEP). Elektronický

formát umožní provedení např. analýzy FEM (zjištění namáhání metodou konečných prvků) a

úpravu modelu ve směru optimalizace z hlediska namáhání (obecně i funkce). Periferií typu

3D tiskárna je vytvořen model, který může být opět upravován designérem. Postup může být

vícekrát opakován – proto reversní inženýrství.

analýza

FEM

3D skener

3D tiskárna