Kap. 1 INNLEDNING INNHOLD 1. Målsetning 2. Design /Maskinkonstruksjon, definisjon 3. Standard og designkode 4. Måleenheter 5. Preferanstall 6. Kort om materialer for maskonkonstruksjon UiS /IKM 1
INNLEDNING Målsetning Faget gir innføring i grunnleggende prinsipper i design eller maskinkonstruksjon dette handler om å bestemme maskindelenes funksjon, utforming, materialvalg og dimensjon Undervisningen skal dekke TO hoveddeler Del I grunnleggende prinsipper Grunnlag for maskinkonstruksjon Standarder og normer, måleenheter, formgivning, materialvalg Grunnlag for dimensjonering av deler dimensjonering med hensyn til flyting, knekking, utmatting.. Del II - anvendelser Funksjon og dimensjoneringsprinsipper for vanlige maskindeler, bl.a. akslinger, transmisjoner, lager, fjærer bremser og koplinger Sammenbygging- eller sammenføyingselementer UiS /IKM 2
INNLEDNING Etter gjennomgått dette kurset skal dere ha tilstrekkelig kunnskap om funksjon, utforming og dimensjoneringsprinsipper for vanlige maskindeler utsatt for både statiske og dynamiske belastninger, og kunne løse (manuelt og vha dataverktøy) enkle konstruksjonsoppgaver UiS /IKM 3
Definisjon: Design eller maskinkonstruksjon Shigley og Mischke (2001) definerer begrepet design som To design is either to formulate a plan for satisfaction of a specified need or to solve a problem. If the plan results in the creation of something having a physical reality, then the product must be functional, safe, reliable, competitive, usable, manufacturable and marketable. Collins, J.K. (2003) Mechanical design may be defined as an iterative decisionmaking process that has as its objective the creation, and optimization of new or improved mechanical systems or devices for the fulfillment of a human need or desire, with due regard for conservation of resources and environment. Kort kan vi oversatte definisjonene som Design/maskinkonstruksjon er prosessen å bearbeide et plan for å tilfredsstille et behov. Den konstruerte maskindelen (produktet) må Være funksjonell, brukbar og pålitelig ved bruk, Oppfyller sikkerhetskravene, Være konkurransedyktig, Være produserbar (enkel å fremstille) og markedsførbar Osv. Produktet skapes i design- eller produktutviklingsprosessen UiS /IKM 4
Standarder og normer Et produkt må oppfylle ikke bare spesifiserte krav og begrensninger, men også kravene om standarder, normer og forskrifter. Standard: En serie av spesifikasjoner for deler, materialer, prosesser, osv. til å oppnå enhetlige effektive løsninger med gitte kvalitet. Mål: For å oppnå en fornuftig lagerbeholdning (inventarliste) av verktøy, størrelse og utforming samt varianter av produkter, prosesser og materialer For å sikre utbyttbarhet, kompatibilitet og akseptabeldrift både på lokalt, nasjonalt og internasjonalt nivå. - Standarder representerer et minimum akseptens nivå, og - De gir anbefalinger og forteller HVORDAN det skal gjøres Norm (designkode): En serie av spesifikasjoner for analyse, design, bearbeiding og bygging av en maskindel eller et system. Mål : For å oppnå et bestemt nivå av sikkerhet, effektivitet og kvalitet. - Designkoder er juridiske dokumenter og utarbeides av en offentlig organ. - De forteller HVA og NÅR det skal gjøres UiS /IKM 5
Måleenheter Den symboliske ligningen for Newtons 2. lov F ML T 2 MLT inneholder 4 enheter : 3 grunnenheter og 1 avledet enhet Hvilken enhet er avledet? Svar til dette spørsmålet gir TO forskjellige systemer (1) Det tekniske (gravitasjonsbaserte) målesystemet 2 2 FT ( Pund )( Sekund ) lbf. s M L Foot ft (2) Det Internasjonale enhetssystemet (SI systemet). F ML (kilogram) (meter) kg. m 2 2 T (Second) s 2 2 2 N UiS /IKM 6
Preferansetall Målet med bruk av preferenstall: Å begrense antall standardiserte størrelser ISO har vedtatt å bruke de R- rekke preferansetallene Rn (Renard number) rekkene utvikles vha den geometriske rekken slik Rn n i a, for i 0, 1,... n a * der a = 10 er brukt som basistall og n = 5, 10, 20, 40 ISO har definert 5 basisrekker for preferansetall 1. R5: 10, 16, 25, 40, 63. 2. R10: 10, 12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80. 3. R20: 10, 11.2 12.5, 14, 16, 18, 20, 22.4, 25, 28, 31.5, 35.5, 40, 45, 50, 56, 63, 71, 80, 90. 4. R40: 10, 10.6, 11.2, 11.8, 12.5, 13.2, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21.2, 22.4, 23.6, 25, 26.5, 28, 30, 31.5, 33.5, 35.5, 37.5, 40, 42.5, 45, 47.5, 50, 53, 56, 60, 63, 67, 71, 75, 80, 85, 90, 95. 5. R80: NB: Større eller mindre tall kan fås ved å multiplisere eller dividere de basis preferansetallene skissert ovenfor med 10! UiS /IKM 7
Materialer for maskinkonstruksjon TRE viktige aspekter ved dimensjonering av maskindeler Flere materialer å velge mellom Valget påvirkes av mange faktorer Kompromissløsning må finnes f. eks. mht UiS /IKM 8
Materialegenskaper i strekkforsøk Sann spenning Nominell spenning UiS /IKM 9
Materialegenskaper: noen begrep Duktil Sprø/ Brittle - Proportional limit, pl - Elastic limit, el - Yield limit, y Nominell spenning (Engineering stress) Og Sann spenning (True stress) Nominell tøyning (Engineering strain) Og Sann tøyning (True strain) L L 0 0 L0 UiS /IKM 10 L L 0 dl L 0 L ln L L L 0
Eksempel på materialfastheter UiS /IKM 11
Materialegenskaper i utmattingsforsøk m a Middelspen ning 2 UiS /IKM 12 max Amplitudes penning max min 2 min
Designmetoder To designmetoder i bruk Sikkerhetsfaktormetode (Factor of safety) - den klassiske metoden hvor man finner designfaktoren (n) fra: Maks last ( Styrke ) n Tillatt last ( Spenning ) der Maks. lasten er materialenes fasthetsegenskap eller styrke ( Strength, S) for ulike typer påskjenninger. Tillatt last eller spenningen ( Stress, ) er angitt av belastningssituasjonen eller geometrien Veiledende område for verdier av sikkerhetsfaktor Implikasjoner av sikkerhetsfaktorverdier i anvendelse n = 1,25 1,5 meget pålitelig materiale, kjente laster, kontrollert miljø lavvekt konstruksjoner n = 1,5 2,0 godt kjente materialer, laster som kan nøyaktig bestemmes n = 2,0 2,5 vanlige materialer, laster som kan bestemmes med vanlig nøyaktighet UiS /IKM 13
Designmetoder Pålitelighet eller stokastisk metode en metode for å studere eller bestemme fordelingen av materialfastheter f(s) og spenninger f() i en maskindel ved hjelp av sannsynlighetsberegninger. Påliteligheten (R) er en statistisk mål gitt ved: R = P(S > ) = P(S - > 0), 0 R 1. Spenning Styrke UiS /IKM 14
Konstruksjonsmaterialer Grått støejern Grått støpejern ( Gray cast iron ) mest anvendt for støpte deler Tabell 1.3: Fasthetsverdier og anvendelser (NS 722) (Gjelder for Ø30 mm) UiS /IKM 15
Konstruksjonsmaterialer (forts..) De vanlige konstruksjonsstålene representerer de ulegerte stålene som ikke er spesielt tilpasset for herding. benyttes i varmformet eventuelt glødet/normalisert tilstand og markedsføres i form av plater og stenger. Ifølge NS klassifiseres konstruksjonsstålene inn i to: Sveisbare konstruksjonsstål og Ikke-sveisbare konstruksjonsstål eller akselstål UiS /IKM 16
Leveranseform/profiler for konstruksjonsstål Eksempler UiS /IKM 17
Konstruksjonsmaterialer - Seigherdingsstål Velges ofte for maskindeler som bør ha store fasthet. Seigherding gjør materialet å ha stor strekkfasthet og seighet samtidig. Anvendes for skruer, tannhjul, aksler, veivaksler, o. l. Finnes i både ulegerte og legerte kvaliteter (Tabell 1-6). Valget mellom de to bestemmes dels av ønskede fasthetsegenskaper, mest av delens dimensjon. Tabell 1-6 Seigherdingsstål (Utvalg fra NS 13201) UiS /IKM 18
? NESTE Kap. 2: Dimensjoneringsprinsipper UiS /IKM 19