OPPGAVESETTET BESTÅR AV TO (2) OPPGAVER PÅ FIRE (4) SIDER (utenom forsiden) pluss Formelsamling på 7 sider.

Transkript

1 DET TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET EKSAMEN I EMNET: MSK210 MASKINKONSTRUKSJON DATO: 16. mai, 2017 VARIGHET: 4 timer TILLATTE HJELPEMIDDEL: FØLGENDE SPESIFISERTE MIDLER ER TILLATT 1. Godkjent kalkulator og tegneutstyr. KONTAKT UNDER EKSAMEN: Tlf. (518) 32173/ OPPGAVESETTET BESTÅR AV TO (2) OPPGAVER PÅ FIRE (4) SIDER (utenom forsiden) pluss Formelsamling på 7 sider MERKNADER: Les informasjoner angitt i tegninger ganske nøye. Samtlige oppgaver skal besvares. Hvert svar må ha oppgavenummer og spørsmål indeks. Det er viktig at teksten er klar og konsis og at skisser er ordentlig og tydelig tegnet og inneholder alle nødvendige påskrifter. Ikke bruk rød kulepenn eller fargeblyant. LYKKE TIL!

2 Side 1 av 4 OPPGAVE 1 (30%) Figur 1 viser en vippearm-ventil mekanisme for en ensylindret forbrenningsmotor, der en sylindrisk trykkskruefjær holder ventilen lukket når ventilen ikke er belastet av vippearmen. Fjærtrådet er kaldtrukket av en høykarbon- stållegering med torsjonsmodul G = 82 GPa. Fjæren er montert i forspent tilstand med en forspenningslast F0 = 900 N. a = Lengden av vippearm b =0,4a avstand fra vippearmets opplagringspunkt til støtstangen c = 0, 5 mm = maks. klaring ved lukket ventil δ = 8 mm = maks. tillatt ventilåpning Figur 1: Vippearm-ventil mekanisme ved helt lukket ventil tilstand Støtstangen er laget av et varmformet stålrør (S235) med ytrediameter d0 = 20 mm og veggtykkelse på t = 1,5 mm. Videre kan det antas at følgende data er kjent om skruefjæren. - Midtdiameter, D = 32 mm, - Total antall vindinger: nt = 8, - Ubelastet lengde, L0 = 100 mm og - Arbeids lengde i montert/forspent tilstand, Lf = 85 mm. a) Anta at fjæren er lukket og nedslipt på begge ender, og bestem trykklasten i skruefjæren ved maks. tillatt ventilåpning. Hvor stor blir sikkerhetsfaktoren mot helt tette vindinger ved denne tillatte åpning av ventilen? b) Vurder om støtstangen befinner seg i Eulerområde når L = 80 cm. c) Ta nødvendige antagelser og bestem den største lengden L av støtstangen som kan anvendes uten fare for knekking ifølge Eurokode 3 (NS3472) når den reduserte slankheten er λ = 1, 7 og en sikkerhetsfaktor mot knekking på nk = 3 er brukt. Hvor stor blir knekkspenningen σk?

3 Side 2 av 4 OPPGAVE 2 (70%) Figur 2(a) viser en forenklet modell av et anlegg for lufttrykk kompressor drevet av en vindturbin. Turbinbladene har en samlet vekt på W = 50 kg (ca. 500 N) og den virker i samme vertikalplan som tannhjulene. Anlegget er plassert på et høy bygg der vindhastighet er på 13 m/s i gjennomsnitt. Ved denne vindhastigheten kan vindturbinen levere en nominell effekt på P = 5 kw ved et turtall på n1 = 200 o/min til aksel 1. Driveffekten overføres til kompressoren gjennom en tannhjulsveksling i en girkasse, der høyhastighetsakselen er koplet til kompressorakselen ved hjelp av en fleksibel klokopling som vist i figuren. Tannhjulene er sylindriske, rettfortannet og begge er symmetrisk plassert i forhold til opplagringspunktene. Tannhjulene overfører drivmomentet fra aksel 1 til aksel 2 med en oversetning på 1:2 (dvs. i = 0,5). a) Anta at tannhjulene har modul m = 4 og dimensjoner tannhjulvekslingen, dvs. bestem delesirkeldiameter, antall tenner og deling for begge tannhjulene. b) Tegn skjærkraft- og bøyemomentdiagram for belastning av aksel 1 både i x-y og x-z plan og beregn det største bøyemomentet. c) Tegn et spenningselement som viser spenningene som virker på et høyest belastet punkt på aksel 1 og vis tallverdi og retning av spenningene. Figur 2(a) [ikke i målestokk] Både aksel 1 og aksel 2 er opplagret på to enradete sporkulelagre som alle er identiske, og av typen Kulelagerdata fra SKF er angitt i tabellen under. Det kreves 95% sannsynlighet for at kulelagrene skal få en levetid på minst 10 år. Eventuelle aksiallagerkrefter kan neglisjeres.

4 Side 3 av 4 d) Anta at kompressoranlegget skal være i drift 6 timer i døgnet, 150 dager i året. Beregn nødvendig dynamisk bæretall C og statisk bæretall C0 for lagrene på lavhastighetsakselen (aksel 1), og kontroller om den oppgitte lagertypen tilfredsstiller kravene. e) Figur 2 (b) viser høyre halvdel av klokoplingen mellom girkassen og kompressoren (se også figur 2(a)) der flensen er montert på en massiv aksel (Ø25 mm), som er en del av kompressoren, ved en krympeforbindelse. I tillegg til torsjonsmomentet (Mt2) fra tannhjul 2 skal forbindelsen kunne tåle en utilsiktet og samtidig virkende statisk aksialkraft opp til Fa = 20 kn uten fare for glidning. Hvor stor må bredden av kontaktflaten (h) mellom flensen og akselen være for å hindre glidning, hvis kontakttrykket skal ikke overstige 40 MPa? Figur 2(b) f) Du har fått et oppdrag å dimensjonere en skivebremse for vindturbinen i figur 2(a). Bremsen skal monteres på aksel 1 og den skal ha et bremseevne (bremsemoment) på 300 Nm for å nødbremse turbinen ved for høye vindhastigheter. Fysiske dimensjoner for et designforslag med to bremseklosser er angitt i figur 2(c). Figur 2(c)

5 Side 4 av 4 (i) Anta at bremseskiven og bremseklossene er meget stive og beregn maks. kontakttrykket mellom bremseskiven og bremseklossene. (ii) Ta nødvendige antagelser og estimer bremsekraften F. g) Figur 2(d) viser kompressorens trykksylinder. Både øvre og nedre deksel fungerer under trykk. Dekslene er absolutt stive og sylinderrøret er av lettmetall E = 70 GPa. Stagboltene (antall = 4) er laget av Ø12 mm rundt stål av kvalitetklasse 8.8, med M12 gjenger på begge ender. Ved montering forspennes stagboltene med en kraft som tilsvarer 60% av lasten ved flytegrensen av boltmaterialet. Figur 2(d) (i) Beregn sikkerhsfaktoren mot flyting i stagboltene ved maks. trykket. (ii) Hvor stort kan lufttrykket i sylinderen være dersom det kreves en klemkraft per bolt på minst 2 kn for å unngå luftlekkasje ved kontaktflaten mellom deksel og sylinder?. SLUTT