Luentojen viikko-ohjelma

Transkriptio

1 Luentojen viikko-ohjelma periodi viikko aihe opettaja 1 35,36 Johdanto, historiaa, suunnittelu, CE -merkki, kuormitus, kestävyys, materiaalit, valmistus Yrjö Louhisalmi 1 37,38,39 liitososat ja liitokset: ruuvit, hitsaus Yrjö Louhisalmi 1 39,40 laakerit, voitelu, laakerointi ja tiivistys Yrjö Louhisalmi 1 41,42,(43) ketjuvälitykset, hihnavälitykset Yrjö Louhisalmi 2 44,45 jouset, liimaus, niittaus Yrjö Louhisalmi välikoe 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

2 Jouset Jouset ovat joustavia liitoksia. Niiden tehtävinä: Varastoida mekaanista energiaa Toimia joustavina ja pienikitkaisina kiinnitys- ja lukitusosina Vaimentaa iskuja ja värähtelyä Tuottaa joustavasti pakkoliikettä Toimia voiman tai jouston mittalaitteena

3 Jousten luokittelu materiaalien, toimintojen ja muodon perusteella [Koneenosien suunnittelu]

4 Jousen joustokäyrä ja jäykkyyskerroin jäykkyyskerroin k = df/df [Koneenosien suunnittelu]

5 Rinnakkain kytketyt jouset k F F 2 F 1 k 1 F = F 1 + F = k 1 f 1 + k 2 f 2 + k 3 f 3..., f=f 1 =f 2 =... eli k =k 1 +k 2 +k 3... = k i [Koneenosien suunnittelu]

6 Sarjaan kytketyt jouset f=f 1 +f =F/k = F 1 /k 1 + F 2 /k 2 +F 3 /k 3... F 1 =F 2 =F [Koneenosien suunnittelu] eli 1/k = 1/k 1 + 1/k 2 +1/k 3...

7 Rinnakkain ja sarjaan kytketyt jouset Esimerkki: k 1 = N/m ja k 2 =0,5 k 1, mikä on yhdistetty jäykkyyskerroin k? [Koneenosien suunnittelu]

8 Jousen valinta Selvitetään käyttökohteessa jouselta vaadittavat ominaisuudet: lujuus, jäykkyys, joustomatka, lämpötila, korroosio, väsyminen, muoto, hinta,... Selvitetään jousen tarvitsema asennus- ja käyttötila käyttökohteessa. Valitaan materiaali, pinnoite, poikkipintaprofiili, jousityyppi ja päiden muotoilu.

9 Metallijouset (ohjeellisia tietoja) materiaali Merkintä R m N/mm 2 ominaisuuksia perliittihehkutettu ja kovaksi vedetty jousiteräslanka DIN Bt.1 1mm, mm, 1350 Suurille ylijännityksille Seostamaton nuorrutettu hiiliteräslanka DIN Bt.2 1mm, mm, 1390 Suurille väsyttäville rasituksille, ei iskukuormitukseen Seostettu nuorrutettu CrVteräslanka 1mm, mm, 1420 Erittäin suurin vaihteleviin kuormituksiin Seostettu nuorrutettu CrSiteräslanka 1mm, mm, 1720 Suurille väsyttäville rasituksille, korkeisiin lämpötiloihin Ruostumaton teräslanka DIN mm, mm, 1600 Ruostumattomat jouset Haponkestävä teräslanka DIN mm, 1600 Haponkestävät jouset INCONEL X750 Lämmön ja haponkestävä NiMONIC Hyvin korkeat lämpötilat Fosforipronssi SuSn Sähköä johtava Berylliumkupari CuBe [Lesjöfors Ab]

10 Teräsjousen sallittu jännitys N k kuormituskertojen määrä, R m murtolujuus sall sallittu leikkausjännitys, tod todellinen leikkausjännitys sall sallittu normaalijännitys, tod todellinen normaalijännitys [Koneenosien suunnittelu]

11 [Lesjöfors Springs Oy]

12 [Lesjöfors Springs Oy]

13 Jousityypit: Puristus- ja vetojouset Taivutusjouset (spiraalijouset) Vääntöjouset Vääntösauvat Lautasjouset Jousilangan poikkileikkausprofiilit Pyöreä Litteä Jousen erityismuodot Kolmio, suorakaide ym. poikittaisprofiilit Kartiomaiset, ym. pitkittäisprofiilit

14 Jousen laskenta Jäykkyys -kerroin

15 Jousen laskenta Jousto lujuus jäykkyyskerroin Jousto lujuus jäykkyyskerroin

16 Jousen laskenta Jousto lujuus jäykkyyskerroin Jousto lujuus jäykkyyskerroin

17 Jousen laskenta jäykkyyskerroin (jousivakio)

18 Jousen laskenta

19 Muita huomioita Vanhentaminen totuttaa jousta. Lämpötilaraja mm. lujuusarvoille. Tavoitteena korkea myötöraja ja hyvä väsymislujuus. Värähtely aiheuttaa ääntä? Erikoisjouset, mm. kumia ja muovia. Jousia on helppo (halpa) valmistaa.

20 Esimerkki jousen laskennasta Vetojousi: D=13,5 mm, d = 2,3 mm, n=18, G=78500 N/mm 2, F= 100 N, kuormitus väsyttävä ja kuormituskertojen määrä >10 7 materiaali: perliittihehkutettu ja kovaksi vedetty jousiteräslanka R m = 1400 N/mm 2 Mikä on venymä s ja sallittu maksimivenymä s max?

21 Liimaus Liiman pitokyvyn määrää molekyylien välinen vetovoima (Van der Waals -voimat), jonka ulottuma on n. 0,5 nm. Tätä paksummat heikot pintakerrostumat heikentävät liitosta. Liiman pintajännityksen pitää olla alhaisempi kuin liimattavien materiaalien, jotta liima leviää tasaisesti joka paikkaan. Liimasauma on kumia tai muovia. Liimojen repäisylujuus on alhainen. Leikkauskuormitus on edullisin liimasaumalle.

22 Liimatyypit a) Kuivuva liima Vesi tai muu liuotin haihtuu Haihtuminen liimattavien materiaalien läpi tai sisään Ei täytä onteloita b) Jähmettyvät liimat Termoplastiset sulaliimat jäähtyvät ja jähmettyvät Kosteudesta jähmettyvät Täyttää onteloita c) Kovettuvat liimat Epoksi-, polyuretaani- ja silikoniliimat Korotettu lämpötila (n. 100 o C kovettaa nopeammin) Kovettuvat hapettomuudesta, kosteudesta, UV-valolla, aktivaattorilla tai lämmöllä Täyttää onteloita

23 Liimaliitoksen käyttöominaisuudet Liiman korkein käyttölämpötila n o C, silikoniliimoilla n. 200 o C. Liima ei kuumenna materiaaleja eikä pinnoitteita. Liima kestää sen, mitä liimattujen materiaalien pintakerrokset. Liima tiivistää saumat. Liima täyttää onteloita. Liiman käyttö vaatii osien puhdistuksen, rajoitetun asennuslämpötilan ja kosteuden sekä kuivuu tietyn ajan. Liimaus harkinnan arvoinen mahdollisuus tehostaa tuotantoa!

24 Liimaliitos perustuu adheesioon ja koheesioon [Loctite]

25 Esimerkki metalliliimasta [Loctite]

26 Esimerkki metalliliimasta [Loctite]

27 Liimaliitosten kuormitus ja jännitysjakauma [Loctite]

28 Liitoksen pidentäminen ei lisää sen lujuutta (punareunakuva). Sen sijaan liitoksen leventäminen sitä lisää (keltareunakuva). [Loctite]

29 Esimerkki liimaliitoksesta Akselille 30 mm liimataan hammaspyörä, jonka leveys on 20 mm. Molempien osien materiaali on S235, liimakerroksen paksuus on 40 m, pinnankarheus R z < 40 m, liiman staattinen vääntöleikkauslujuus T =15 N/mm 2, kuormitus on luonteeltaan vaihtokuormitusta, liitoksen käyttölämpötila 40 o C ja liiman lämpötilan kesto < 200 o C ja liima on huoneenlämpötilassa kovettuva. Mikä on liitoksen välittämä momentti? tod = f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 T

30 Lasketaan liimaliitoksen pinta-ala A A= d l = mm 2 = 1885 mm 2 Liitokseen kohdistuva voima F F = A = 15 N/mm mm 2 =28,3 kn Liitoksen (staattinen) momentinvälityskyky M = F r = 28,3 kn 0,015 m = 424 Nm Liitoksen todellinen momentinvälityskyky M tod = 0,32 M = 135 Nm Kerroin 0,32 määräytyy liimatyypin ja liitoksen ominaisuuksien perusteella [kts. Koneenosien suunnittelu].

31 Muokkaamalla tehtävät liitokset Muokataan liitettäviä materiaaleja Taitos Muokataan lisämateriaalia Niittiliitos Miten liitoksen tiivistys toteutetaan? Niitti ja liitettävät osat ovat eri materiaalia ja aiheuttavat korroosiovaaran. Onko työskentely liitoksen molemmilla puolilla mahdollista?

32 Niittiliitoksen käyttökohteita Materiaaleille, joita ei voi hitsata Metalli- ja ei-metallisten osien liitokset Leikkauskuormituksen alaiset liitokset

33 Niittiliitoksen toteutus Liitettäviin osiin porataan hieman niittiä suurempi reikä ja viistetään se. Ylä- ja alatyökalu tyssää niitin liikkumattomaksi ja muotoilee toisen pään. [Decker]

34 Erilaisia niittejä Kuva a) A. Umpiniitti, B. puolionttoniitti, C. onttoniitti. [Decker]

35 Erilaisia vetoniittejä [Decker] Vetoniitti työstetään yhdeltä puolelta kiinnitettäviä osia.

36 Jännitysten jakauma moniniittiliitoksessa [Decker]

37 Niittiliitoksen jännitykset Leikkausjännitys a) yhdessä b) kahdessa kohtaa. [Decker] Leikkausjännitysjakauma Pintapainejakauma

38 Niittiliitosten laskenta Leikkausjännitys = F/(n m A) n= niittien määrä, m= leikkauskohtien määrä, F=leikkausvoima, A = todellinen niitin poikkipinta-ala Pintapaine l = F/(n d t) n= niittien määrä, d= todellinen niitin halkaisija F=leikkausvoima, t= pienin levypaksuus Vetojännitys z = F/(n A) n= niittien määrä, F= vetovoima, A =todellinen niitin poikkipinta-ala

39 Muokkaamalla tehtävä liitos Tehdään erityistyökalulla! [TOX PRESSOTECHNIK GmbH & Co.KG]

40 Esimerkki niittiliitoksesta Vihreä ketjupyörä kiinnitetään violettiin kytkinkehään ja keltaiseen laippaan kiinni kolmella (sinisellä) niitillä. Välittyvä momentti on 100 Nm, niitin halkaisija 6,4 mm, niittikehän halkaisija 70 mm ja kapein osa on kytkinkehä paksuudeltaan 4 mm. Miten osat kuormittuvat kyseisessä niittiliitoksessa?

41 Niittikehälle kohdistuva kehävoima F F=M/r = 100 Nm/0,035 m = 2,8 kn Tarkistetaan niitteihin kohdistuva leikkausjännitys = F/(n m A) = 2,8 kn/(3 1 32) mm 2 = 29 N/mm 2 Tarkistetaan liitettäviin osiin kohdistuva pintapaine l = F/(n d t) = 2,8 kn/(3 6,4 4) mm 2 = 36 N/mm 2 Näiden tietojen perusteella valitaan niitit ja varmistetaan liitettävien materiaalien kestävyys.

42 Esimerkki juotosliitoksesta Akselille 30 mm kiinnitetään kuparijuotteella hammaspyörä, jonka leveys on 20 mm. Molempien osien materiaali on S235. Juotteen staattinen vääntöleikkauslujuus T =150 N/mm 2, kuormitus on luonteeltaan vaihtokuormitusta eli varmuuskertoimeksi valitaan 4. Mikä on liitoksen välittämä momentti?

43 Lasketaan juotosliitoksen pinta-ala A A= d l = π mm 2 = 1885 mm 2 Liitoksen sallittu jännitys (varmuuskerroin 4) sall = 150 N/mm 2 /4 = 37,5 N/mm 2 Liitokseen kohdistuva voima F F = A = 37,5 N/mm mm 2 =70,7 kn Liitoksen todellinen momentinvälityskyky M = F r = 70,7 kn 0,015 m = 1060 Nm

44 Esimerkki pienahitsiliitoksesta Akselille 30 mm kiinnitetään pienahitsillä hammaspyörä yhdeltä reunalta. Hammaspyörän leveys on 20 mm. Molempien osien materiaali on S235. Hitsin staattinen vääntöleikkauslujuus T =140 N/mm 2, Mikä on liitoksen välittämä momentti?

45 Lasketaan hitsausliitoksen pinta-ala A, kun a-mitta on minimi, a=3 mm A= d a = 30 3 mm 2 = 283 mm 2 Liitettävät materiaalit ovat S235:ta eli myötöraja R e =235 N/mm 2. Leikkauslujuus määritetään seuraavasti sall = 0,6 235 N/mm 2 = 140 N/mm 2 Liitokseen kohdistuva kehävoima F F= A= 140 N/mm mm 2 =39,6 kn Liitoksen momentinvälityskyky M = F r = 39,6 kn 0,015 m = 594 Nm

46 Esimerkki pistehitsausliitoksesta F U-palkki kiinnitetään runkoon neljällä pistehitsillä. Kuinka suurella voimalla F U-palkkia voi vetää?

47 Määritetään pistehitsin maksimihalkaisija d = (25 mm s min ) = (25 mm 2 mm) =7 mm eli yhden pistehitsin pinta-ala A=38,5 mm 2 Liitettävien osien murtolujuus R m =370 N/mm 2. Taulukkotiedon [Decker, s. 82] perusteella liitoksen sallituksi leikkausjännitykseksi tulee sall = 60 N/mm 2 ja sallituksi vetojännitykseksi σ sall = 160 N/mm 2 Leikkauslujuuden perusteella voima F voi olla F= sall A n m = 60 N/mm 2 38,5 mm = 9,2 kn Vetolujuuden perusteella voima F voi olla F= σ sall n d s = 160 N/mm mm 2 mm = 8,9 kn