464102A KONEENOSIEN SUUNNITTELU 10 op.

Transkriptio

1 464102A KONEENOSIEN SUUNNITTELU 10 op. Yrjö Louhisalmi Oulun yliopisto Konetekniikka Huone TF321-2

2 Kurssin tavoitteet Tavoitteena on oppia suunnittelemaan toimivia ja kestäviä koneenosia. Koneiden ja osien suunnittelussa hyödynnetään materiaalitietoja, teknistä laskentaa ja tietoja valmistusmenetelmistä. Kurssin suorittavat kaikki konetekniikan opiskelijat. Materiaalitekniikan, mekatroniikan, teknillisen mekaniikan, tuotantotekniikan ja tuotantotalouden opiskelijoille kurssi antaa koneensuunnittelun välttämättömät perustiedot. Auto- ja työkonetekniikan sekä koneensuunnittelun opiskelijat jatkavat opintoja mm. Koneensuunnittelu ja Koneensuunnitteluprojekti -kursseilla.

3 Sisältö Koneensuunnittelu on hyvin laaja aihe. Tässä kurssissa aloitetaan. Ja opiskellaan: liitostekniikkaa (ruuvit, hitsaus, yms.) pyörivän liikkeen osia (akselit, laakerit, kytkimet, jarrut) liikkeen muuntamiseen käytettäviä osia (hammaspyörät, ketjut, hihnat, yms.) sekä koneiden ja osien asennukseen ja käyttöönottoon liittyviä asioita.

4 Toteutus Kurssi luennoidaan toisen vuosikurssin syksyllä. Laskuharjoitukset alkavat 1. periodin puolivälissä. Välikokeita on kaksi. Välikokeet voi korvata tentillä. Laskuharjoituksilla ja välikokeilla tai tentillä opiskelijan tulee osoittaa riittävää valmiutta konstruktioharjoitustyön (1 kpl) aloittamiseen. Konstruktioharjoitustyö tehdään saman lukuvuoden keväällä. Kurssi arvostellaan puoleksi välikokeiden tai tentin ja puoleksi harjoitustyön perusteella. Aikataulu syksy luennot laskuharjoitukset kevät konstruktiotyö Luennot maanantaisin klo ja torstaisin klo

5 Luentojen viikko-ohjelma periodi viikko aihe opettaja 1 36,37 Johdanto, historiaa, suunnittelu, CE -merkki, kuormitus, kestävyys, materiaalit, valmistus Yrjö Louhisalmi 1 37,38,39,40 liitososat ja liitokset: ruuvit, hitsaus Yrjö Louhisalmi 1 40,41 laakerit, ketjuvälitykset Yrjö Louhisalmi 1 42,(43) hihnavälitykset Yrjö Louhisalmi 2 44,45 laakereiden voitelu, jouset, liimaus, niittaus, liitosesimerkkejä, laakerointi ja tiivistys välikoe Yrjö Louhisalmi 2 46,47,48 akselit ja niiden liittäminen Tapio Korpela 2 48,49 kytkimet ja jarrut Tapio Korpela 2 49,50 hammasvälitykset Tapio Korpela 2. välikoe

6 Luento- ja oheismateriaalia Luennot löytyvät osoitteesta: Kirjoja: Björk, T., et al., Koneenosien suunnittelu. 6. p. Sanoma Pro, Shigley, JE., Mischke, CR., Budynas, RG., Mechanical Engineering Design. 7th ed. McGraw-Hill Higher Education, cop Tuomaala, J., Luova koneensuunnittelu.tammertekniikka, Lehtiä: Metallitekniikka, Koneviesti Taulukkokirjoja: Valtanen, E., Tekniikan taulukkokirja, Genesis-Kirjat, 20. p., Mechanical and metal trades handbook, ed. Fischer, U., et al. Europa-Lehrmittel, Nettiaineistoa: machinedesign.com/,

7 Avaruudellisen visualisaation taidot käyttöön... [Guay, R.B., Purdue Spatial Visualization Test: Rotations, West Lafayette, IN, Purdue Research Foundation, 1977.]

8 Johdanto koneensuunnitteluun Historiaa Koneiden suunnittelu, mitä se on? Koneenosilla on muotonsa Koneensuunnittelija, ketä he ovat? Uusien tuotteiden kehittäminen Lähtökohdat suunnittelussa CE merkki Muuta suunnittelijan arkea

9 Historiaa... Purjeet (n eaa), pyörät (n eaa), liimaus (n eaa), vivut (n eaa), sorvi (n eaa) nostimet (n. 600 eaa), hitsaus (n. 500 eaa), pumput (n. 200 eaa), ruuvit (n. 400 eaa), hammaspyörät (n. 300 eaa), ketjut (n. 220 eaa), vierintälaakerit (n. 40 jaa), tekninen piirtäminen (n. 1500), höyrykone (n. 1600), halpa teräs (n. 1850), ruiskuvalukone (n. 1870), Otto -moottori (1876), Diesel -moottori (1893)... Scotch yoke -moottori (2004)... Arkhimedes Syrakusalainen ( eaa.) Leonardo Da Vinci ( )

10 Koneiden suunnittelu, mitä se on? asiakkaan tarve koneesta (ja tuotantomäärä) käytettävissä olevat materiaalit ja valmistusmenetelmät koneen oletettu käyttöikä koneen ympäristölle aiheuttamat haitat valmistettaessa, käyttöaikana ja sen jälkeen Konstruointi on ajatuksen realisointia.

11 Osien muodolla on merkitystä Levyt Pyöreät putket ja tangot Kuulat ja lieriöt Neliö- ja suorakaideputket ja -tangot Muodot on optimoitu valmistuksen ja käyttökohteiden (kuormitusten) mukaan. Usein myös ulkonäöllä tärkeä osuus. Muotoiluohje: kuljeta voimia kauniisti.

12 Koneensuunnittelija Käytössä useita suunnitteluvälineitä (CAD, FEM, PDM, netti, digikamera). Yleisenä ongelmana ajanpuute, asioita ei voi perusteellisesti selvittää. Tehtäväkenttä on hyvin laaja. Tärkein työkalu on OMAT AIVOT ja niiden jatkeena kädet, silmät, korvat... Luovuutta tarvitaan uusien ratkaisujen löytämiseen. Tarvitaan rohkeutta, mielikuvitusta ja piirtämistaitoa.

13 Carl G. Jungin ajatuksia ihmisistä Huomiotani oli aina kiinnittänyt se seikka, että on yllättävän paljon ihmisiä, jotka eivät koskaan käytä järkeään mikäli voivat välttää sitä. Ja yhtä paljon niitä, jotka käyttävät järkeään, mutta hämmästyttävän typerällä tavalla. Olin myös yllättynyt huomatessani, kuinka monet älykkäät ja vireät ihmiset näyttivät elävän niin kuin he eivät olisi koskaan oppineet käyttämään aistimiaan. Oli myös ihmisiä, jotka näyttivät elävän mitä oudoimmassa tietoisuuden tilassa ikään kuin se tila, johon he olivat päässeet olisi ollut lopullinen ja ilman mitään muutoksen mahdollisuutta tai niin kuin maailma ja psyyke olisivat staattisia ja sellaisina ikuisina pysyisivätkin. Heiltä näytti puuttuvan kaikki mielikuvitus ja he olivat täysin ja yksinomaan riippuvaisia aistihavainnoistaan. Lainaus teoksesta Jung CG, Symbolit, piilotajunnan kieli, 1991.

14 Työt tehdään tiimeinä, miksi? Meillä on tarve kuulua johonkin merkittävään ryhmään. Yksin ei osaa kaikkea, eikä voi kantaa kaikesta vastuuta. Ei voi olla joka paikassa yhtä aikaa. Työtä on jaettava. Yritys kasvaa, monimutkaistuu ja muuttuu jatkuvasti. Tulee organisointitarvetta. Globalisaatio jakaa työtä ajallisesti ja alueellisesti. Toisaalta on huomattava... Yksilön ajattelun teho on n. 100 bit/s. Keskustelun teho ryhmissä on n. 3-4 bit/s. Joukkuepeliä se koneensuunnittelukin on.

15 Idea konkretisoituu piirtämällä 2D -piirtäminen on 3-4 kertaa nopeampaa kuin 3D -mallintaminen. 2D -kuva on nopeampi lukea, tarkka ja yksiselitteinen. Kokonaisuuden ymmärtäminen on helpompaa 3D -mallista. 3D malli tarvitaan valmistuksessa. Luonnostelu kannattaa tehdä niin tarkasti kuin mahdollista. Kokoonpanoiksi pilkkomisen voi tehdä myöhemmin.

16 Uuden tuotteen kehittäminen

19 Materiaalien lujuus ja osien kestävyys Kokeelliset tulokset, esimerkiksi vetokoe, eivät vastaa täysin osien kuormituksia käytännössä. Materiaalien lujuudesta vetokokeessa voidaan arvioida myös muita ominaisuuksia. Esimerkiksi leikkauslujuus teräksellä on luokkaa 0,65-0,8 x vetolujuus. Staattisen (muuttumattoman) kuormituksen kestoa voi helposti lisätä lisäämällä materiaalia. Tästä aiheutuva lisäkustannus on pienehkö. Dynaamisella kuormituksella (muuttuva kuorma ja/tai osien massa-hitaus) on väsyttävä vaikutus koneenosiin ja siten koneella on rajoitettu kestoikä. Kulumiskestävyys tarkoittaa lähinnä osien pintojen lujuutta. Äärimmäiset olosuhteet (kylmä ja kuuma) aiheuttavat yllättäviä rikkoontumisia.

20 Materiaalien ominaisuuksia Aihion eli levyn, putken, tangon tms. valmistaja takaa ja säännöllisesti kokein varmistaa toimitetun materiaalin ominaisuudet, esimerkiksi vetolujuuden. Työstö yleensä heikentää näitä alkuperäisiä ominaisuuksia (taivuttaminen, poraaminen, leikkaaminen, hitsaaminen, jne.). Lisäksi materiaali vanhenee, jolloin ominaisuudet yleensä heikkenevät. Tietyin menettelyin materiaalia voi myös nuorentaa. Myös ympäristö rasittaa materiaaleja eli ominaisuudet heikkenevät (lämpötila, kosteus, auringon säteily, ympäristön nesteet ja kaasut, jne.).

21 Uudet materiaalit Terästä jalostetaan mm. suurlujuuslaaduksi. Muovin ideana on ruiskuvalu alhainen pehmenemislämpötila ( o C) osa valmis yhdellä iskulla Puuta riittää Suomessa, mutta sen tekninen käyttöimago on vielä huono. Materiaalien kierrättäminen ja hävittäminen polttamalla lisääntyy.

22 Uusia valmistusmenetelmiä Lasertyöstö Liimaus Metallin ruiskuvalu 3D tulostus...

23 Lähtökohdat suunnittelussa kone käynnissä 24/7 tunnetut materiaalit (tasa-aineinen ym.), valmistustarkkuus riittävä rakenteita tarkastellaan pääasiassa jäykkinä kappaleina laskelmat ja teoriat ovat yksinkertaistuksia mahdollinen epävarmuus huomioidaan mm. varmuuskertoimella

24 CE merkinnän idea valvova viranomainen - competent authority - Suomessa useita virastoja EU valmistaja Firma Oy loppukäyttäjä ilmoitettu laitos - notified body - Suomessa mm. VTT, Inspecta, Tukes - asiakas - toinen yritys

25 CE-merkintä Tuoteluokat: I II a) II b) ja III täysin valmistajan vastuulla valmistusvaiheessa ilmoitetun laitoksen osallistuminen pakollista ilmoitettu laitos suorittaa tarkastuksen sekä suunnittelun että valmistuksen osalta

26 CE-merkintä Tekninen tiedosto: - yleinen kuvaus tuotteesta - piirustuksia, laskelmia - selityksiä piirustuksista, kaavioista - luettelo standardeista - tiedot tehdyistä tutkimuksista Muita asioita: - raaka-aineiden ja lopputuotteiden jäljitettävyys - laadunvarmistusperiaate: henkilö A suunnittelee henkilö B varmistaa - yritysten yhteistyöllä laatuketju pysyy ehjänä.

27 CE-merkintä Yleiset olennaiset vaatimukset single_market_for_goods/technical_harmonisation/ l21001_fi.htm esimerkiksi suorituskyky - saavutettava valmistajan suunnittelema suorituskyky - suorituskyky kestää: + käyttöiän + kuljetukset + varastoinnin - arvioidaan sivuvaikutukset (melu...) hallitaan riskit mm. riskianalyysin (SFS-EN1441) perusteella.

28 Riskien arviointi ja minimointi Koneen valmistajan on varmistettava, että suoritetaan riskin arviointi, jotta koneeseen sovellettavat terveys- ja turvallisuusvaatimukset voidaan määrittää. Kone on sen jälkeen suunniteltava ja rakennettava ottaen huomioon riskin arvioinnin tulokset. Riskin arviointi ja riskin pienentäminen on prosessi, jonka aikana valmistajan on määritettävä koneen raja-arvot, joihin sisältyvät tarkoitettu käyttö sekä kohtuudella ennakoitavissa oleva väärinkäyttö; tunnistettava koneen mahdollisesti aiheuttamat vaarat ja niihin liittyvät vaaratilanteet; arvioitava riskin suuruus ottaen huomioon mahdollisen vamman tai terveyshaitan vakavuus ja todennäköisyys. Arvioitava riskin merkitys. Poistettava vaarat tai pienennettävä näihin vaaroihin liittyviä riskejä soveltamalla suojaustoimenpiteitä. Valmistajan on varmentaakseen, että kone on direktiivin säännösten mukainen, sovellettava jotain direktiivin liitteissä esitetyistä vaatimustenmukaisuuden arviointimenettelyistä. [ r_goods/technical_harmonisation/l21001_fi.htm]

29 Yhteenveto CE-merkinnästä Mm. lujuuslaskelmat kannattaa suorittaa EN standardien mukaisesti. Jos käyttökelpoista standardia ei ole, tarvittavat laskelmat ja testit pitää itse laatia. Kokeellisia testejä tarvitaan varmentamaan laskelmia. Dokumentit säilytettävä tuotteen markkinoilta poistumisen jälkeen vielä 10 vuotta.

30 Miksi suunnittelutyötä tutkitaan ja kehitetään? Aikataulun laadinta ja toteutuma. Resurssien ja kustannusten arviointi. Muiden toimintojen (mm. valmistus) tahdistus ja aktivointi.

31 Esimerkki tuotannon ohjauksesta ja tahdistuksesta

32 Osatehtävä 1 Osatehtävä 2 Osatehtävä 3 Osatehtävä 1 Osatehtävä 2 Osatehtävä 3 Osatehtävä 1 Osatehtävä 2 Osatehtävä 3 Yrityksen organisaatio Linjaorganisaatio: johto Tehtävä 1 Tehtävä 2 Tehtävä 3

33 Yrityksen organisaatio Matriisiorganisaatio: toimitusjohtaja Talousjohtaja Ostopäällikkö Valmistuspäällikkö Myyntipäällikkö Tuotepäällikkö A Tuote A ostot Tuote A valm. Tuote A myynti Tuotepäällikkö B Tuote B ostot Tuote B valm. Tuote B myynti Tuotepäällikkö C Tuote C ostot Tuote C valm. Tuote C myynti

34 Tuotteen elinikä

35 Innovaatioprosessi Rothwell R., Towards the Fifth-Generation Innovation Process. International Marketing Review. Vol. 11, No. 1, 1994, pp

36 Suunnittelua tehdään yhtäaikaa monella osa-alueella.

37 Suunnitteluprosessin pitää suodattaa virheet pois tuotteista.

38 Riittävä kassavirta pitää yrityksen kunnossa.

39 Suunnitteluprosessi yrityksessä Ullman DG, The Mechanical Design Process, McGraw Hill, 1997.

40 Ullman DG, The Mechanical Design Process, McGraw Hill, 1997.

41 Koneensuunnittelijan prosessi Perehtyminen Hautuminen Oivallus Toteutus Wallas, G., The art of thought, In: P.E. Vernon (eds.) Creativity, Penguin, Harmondsworth, 1926.

42 Uudet keksinnöt ovat monen tekijän summa Luova yksilö (creative personality) Osaamisalueet (domains of knowledge) Suorituksen arvioijat (fields of accomplishment) 99% kovaa työtä Useita keksijöitä yhtä aikaa Csikszentmihalyi, M., Creativity, 1996.

43 Koneensuunnittelu on myös luovaa työtä.

44 Apua tietokoneesta tekninen laskenta koneiden ohjaus (+energia) diagnostiikka, huolto ja säätö (etä)seuranta (rajoitus?) luonnosteluapu! uutuus/menestysarviointi, -yksilöinti, kustannusjahti automaattinen tuotanto

45 Uudet tuoteideat???

46 Palautetta opetuksesta! Aapo: Android laitteissa toimiva sovellus Viikkopalaute aapo.oulu.fi