Maskinkonstruksjon I [1] [PDF]

Zitiervorschau

Maskinkonstruksjon I Norsk utgave ved Hans Christiansen, Odd Hammertoft og Øivind Husø

®NK1

Originaltittel: Werktuigonderdelen 1 © 1988 by B. V. Uitgeverij Nijgh & Van Ditmar, The Hague, The Netherlands

Norsk utgave: © NKI 1992 1. utgave 1. opplag 1993

Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter for 5 år i mai 1993 Utgiver: NKI Forlaget Hans Burums vei 30 Postboks 111, 1341 Bekkestua Tlf: Sentralbord 67 58 88 00 Ordrekontor 67 58 89 00 Sats PrePress as Trykk GCS

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått av KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtaler kan medføre erstatningsansvar, og kan straffes med bøter eller fengsel. ISBN 82- 562-2630-7

Forord

Denne tekniske fagboka, Maskinkonstruksjon I, er med i en ny serie maskinbøker fra NKI. Boka er skrevet for maskinkonstruktørutdanning i den tekniske fagskolen og i ingeniørhøgskolen.

Bok 1 og bok 2 dekker til sammen maskinkonstruksjonsfaget. Forlaget

2

Drivmekanismer

43

2.1

Innledning

43

2.2

Roterende og lineære overføringer

44

2.3

Direkte drift

47

2.4

Indirekte drift

48

4.1

Flatreimer, kilereimer og tannreimer

50

4.2

Kjeder

59

2.5

Oppgaver

64

2.6

Tannhjul

66

5.1

Hovedmålene til tannhjul

69

2.7

Oppgaver

71

Aksel-nav-forbindelser

73

3.1

Innledning

73

3.2

Periferikraft og dreiemoment

74

2.1

Forholdet mellom periferikraft, effekt og dreiemoment

74

2.2

Kraftoverføring ved friksjon

76

3.3

Eksempler

78

3.4

Oppgaver

80

3.5

Klem- og spennforbindelser

82

5.1

Klemforbindelser

82

5.2

Spennforbindelser

83

3.6

Oppgaver

90

3.7

Kile- og splintforbindelser

91

7.1

Generelt

91

7.2

Kileforbindelser

94

7.3

Splintforbindelser

99

3.8

Utvelgelsestabell

102

3.9

Oppgaver

103

3.10

Beregning av flate innleggskiler

104

3.10.1

Kraftoverføring

104

3.10.2

Beregning

107

3.10.3

Eksempler

108

3.11

Oppgaver

111

3.12

Krympe- og pressforbindelser

112

3.12.1

Varmkrymping

113

3.12.2

Kaldkrymping

114

3.12.3

Krympemonn

114

3.12.4

Bruk av krympeforbindelser

116

3.12.5

Pressforbindelser

118

3.12.6

Pressmonn

118

(.12.7

Bruk av presspasninger

119

1.13

Oppgaver

120

3

Aksler

122

4.1

Innledning

122

4.2

Bæreaksler

122

4.3

Overføringsaksler

124

4.3.1

Kardangaksler

126

4.3.2

Bøyelige aksler

127

4.3.3

Kjervvirkning ved akselkonstruksjoner

127

Beregning av akseltapper

129

4.4.1

Beregning av flatetrykk

129

4.4.2

Bøyning

130

4.4.3

Varmeutviklingen i glidelagre

132

4.4.4

Beregning av varmebortledningen

132

4.4.5

Regneeksempler

134

4.5

Dimensjonering av bæreaksler som er utsatt for bøyning

136

4.6

Oppgaver

140

4.7

Beregning av overføringsaksler

143

4.8

Oppgaver

153

Akselopplagring: glidelagre

157

5.1

Innledning

157

5.2

Bruk av glidelagre

158

5.3

Konstruksjon av glidelagre

158

5.3.1

Delt glidelagerblokk

159

5.3.2

Udelt glidelagerblokk

160

5.3.3

Selvinnstillende glidelager

160

5.3.4

Aksialt glidelager

161

Glidelagermaterialer og egenskaper

161

5.4.1

Kunststoff som lagermateriale

162

5.4.2

Slitestyrken til kunststoffer

162

5.4.3

Friksjonsmotstanden til kunststoffer

164

5.4.4

Lagermaterialer av kunststoff

165

5.4.5

Belastning på kunststofflagre

165

Smøring av glidelagre

167

5.5.1

Smøretilstander

167

5.5.2

Oppbygningen av en oljefilm

168

5.6

Smøresystemer

169

5.7

Valg av glidelagre

172

Framgangsmåte ved valget

174

Oppgaver

177

4

4.4

5

5.4

5.5

5.7.1

5.8

Akselopplagring: roterende lagre

179

Innledning

179

Oppbygningen av roterende lagre

180

Fordeler og ulemper ved roterende lagre

180

Lagertyper og bruksområder

182

Kriteriene ved valg av roterende lagre

185

Innbygningsplassen

186

Belastning

186

Belastningsretning

186

Lagerkonstruksjoner

187

Aksial låsing

187

Pasninger

188

Rotasjonsforhold

188

Valg av riktig pasning

190

Kontroll av pasninger

190

Tetninger

190

Montering og demontering av roterende lagre

192

Montering av roterende lagre på akselen

193

Montering i lagerhus

195

Samtidig montering på akselen og i lagerhuset

196

Demontering av roterende lagre

197

Smøring

200

Fettsmøring

200

Oljesmøring

201

Oppgaver

202

Bestemmelse av lagerstørrelsen

205

Bæreevne

205

Levetid

205

Ekvivalent dynamisk lagerbelastning

209

Oppgaver

214

AkselkopHnger

217

Innledning

217

Faste koplinger

218

Hylsekopling

220

Fast flenskopling

222

Oljetrykkshylsekoplinger

226

Fleksible koplinger

227

Hylsekopling

228

Klokopling

228

Tannkopling

228

7.3.4

Universalkopling

229

7.3.5

Homokinetisk kopling

230

7.4

Oppgaver

231

7.5

Elastisk-fleksible koplinger

233

7.5.1

Elastiske koplinger med fjærende elementer av stål

234

7.5.2

Elastiske koplinger med fjærende elementer av kunststoff eller gummi

235

Væskekoplinger

242

7.6

Oppgaver

243

7.7

Omkoplbare koplinger

245

7.7.1

Mekaniske koplingsmekanismer

246

7.7.2

Prinsippet for friksjonskoplinger

248

7.7.3

Platekoplinger

249

7.7.4

Hydraulisk og pneumatisk betjening

255

7.7.5

Conax-kopling

256

7.7.6

Maksimalkoplinger

257

7.7.7

Friløpskoplinger

258

Oppgaver

260

Svar på øvingsoppgavene

263

7.5.3

7.8

Gjenger og gjengeforbindelser

1.1

Innledning Mekaniske konstruksjoner er satt sammen av forskjellige deler. Delene blir bygd

sammen til den konstruksjonen vi ønsker. Det kan være motorer, biler, sykler eller husholdningsartikler som kjøkkenmaskiner, vaskemaskiner og mye annet. Delene blir forbundet med hverandre på forskjellige måter. Vi skiller mellom løsbare

og ikke-løsbare forbindelser. Delene i en ikke-løsbar forbindelse kan bli ødelagt

dersom vi forsøker å ta dem fra hverandre, mens delene i en løsbar forbindelse kan demonteres og repareres.

Til de ikke-løsbare forbindelsene hører blant annet: - klinkeforbindelser

- falseforbindelser - presseforbindelser -

sveiseforbindelser

- loddeforbindelser - limforbindelser

Til de løsbare forbindelsene hører blant annet:

- gjengeforbindelser - kile- og splintforbindelser - klemmeforbindelser - magnetiske forbindelser

I dette kapittelet skal vi se på gjenger og hvordan gjengeforbindelser kommer i stand.

Fordi gjengeforbindelser forekommer så ofte, er mange artikler som skruer og muttere standardisert. Når det er nødvendig, vil vi henvise til den normen som gjelder.

Figur 1.1 Gjengeforbindelse Norges Standardiseringsforbund gir ut et stort antall standardblader. Ved siden av NS (Norsk Standard) brukes også EN- og ISO-normen (EN = Europeisk standard, ISO =

Internasjonal standard). Det er samsvar mellom en rekke internasjonale, europeiske og norske standarder. Dette går fram av «Katalog for Norsk Standard» fra Norges standardiseringsforbund. Denne katalogen gir en oversikt over gjeldende normer.

Fordi leverandører av festeartikler også oppgir DIN-normer (DIN = Deutsche Industrie Normen), har vi i en del tilfeller oppgitt denne.

1.2

Gjenger

Hovedprinsippet for en gjenge er en skruelinje på en sylinder. Når en skrivestift beveger seg med jevn hastighet langs overflaten på en sylinder parallelt med sylinderaksen mens sylinderen dreier seg med jevn hastighet om sin akse, kommmer det fram en skruelinje på sylinderen. Strekningen skrivestiften tilbakelegger når sylinderen roterer en omdreining,

kaller vi stigningen p. Se figur 1.2. Skruelinjen er høyredreid fordi den beveger seg

oppover fra venstre mot høyre.

Dreieretning

Figur 1.2 Høyre skruelinje på en sylinder

Når skruelinjen til sylinderen blir foldet ut og vi beholder stigningen, blir forholdet slik figur 1.3 viser. Hypotenusen i den rettvinklede trekanten har samme lengden som den

utfoldede skruelinjen over en omdreining. Den rettvinklede trekanten kaller vi

stigningstrekanten.

Figur 1.3 Stigningstrekant

Vinkelen y blir kalt stigningsvinkelen. Den er vist på figur 1.2.

Her gjelder forholdet:

tan y =

hvor:

p

= stigningen i mm

d

= sylinderdiameteren i mm

y

= stigningsvinkelen i grader

Stigning Stigningsvinkek

Figur 1.4 Konstruksjon av en skruelinje

Det er ikke mulig å tegne en skruelinje helt nøyaktig, men vi kan konstruere punkter på

skruelinjen. På figur 1.4 er stigningstrekanten tegnet, og omkretsen av sylinderen er

delt i tolv helt like deler. Når vi projiserer punktene fra stigningstrekanten over på sylinderen, har vi funnet tolv punkter på skruelinjen. Dersom vi konstruerer skruelinjen til to sylindere som har konsentriske sirkler som grunnflate, danner flaten mellom de to skruelinjene en skrueflate. Se figur 1.5.

Figur 1.5 Skrueflate

Figur 1.6 Gjengeskj æring Hvis vi skjærer et spor i overflaten av sylinderen istedenfor skruelinjen, og dette sporet

har en bestemt profil, får vi en gjenge. Se figur 1.6.

Tabell 1.1 viser forskjellige gjengeprofiler. Profilene må være en uforanderlig figur med grunnlinjen w. Når gjengeprofilen beveger seg langs skruelinjen slik at grunnlinjen w sammenfaller med en beskrivende linje på sylinderen, får vi en gjenge med en

bestemt profil.

w

Betegnelse

Bruksområde

trekant

skruer muttere fittings

rund

slangekoplinger kapslingsmuttere

trapes

transportskruer

sagtann

vinsjer

bevegelsesartikler

Profil

festeartikler

Tabell 1.1 Gjengeprofiler

Vi bruker festegjenger når vi skal forbinde maskindeler med hverandre.

Bevegelsesgjenger bruker vi når den roterende bevegelsen til en spindel skal omformes til en rettlinjet bevegelse av en mutter eller omvendt. Den avgjørende forskjellen er at en bevegelsesgjenge har en forholdsvis større stigning enn festegjengen. Figur 1.7a

viser stigningen til en festegjenge, mens figur 1.7b viser stigningen til en bevegelsesgjenge. Sylinderdiameteren er den samme i begge tilfellene.

a

M20

p = 2,5 mm

b

Tr 20 x 4

p = 4 mm

Figur 1.7 Stigningsvinkel Hvis vi tenker oss mutteren som en gjenstand på et skråplan, sier det seg selv at den glir

lettere på en bevegelsesgjenge enn på en festegjenge.

1.3

Festegjenger

Festegjenger har som regel en trekant som grunnprofil. Vinklene i trekanten er noe avrundet i bunn og topp, se figur 1.8.

Profilvinkel

Flankevinkler

Figur 1.8 Grunnprofil av gjenge for festeskrue Profilvinkelen, og dermed også flankevinkelen, er avhengig av hva slags gjenge vi har. For festegjenger har vi forskjellige mål med tilhørende standardiserte betegnelser. Se figur 1.9.

Spenningsdiameteren er viktig når vi skal beregne styrken til en festegjenge. I tidens løp har det oppstått svært mange forskjellige gjengeprofiler og kombinasjoner

6

d = basis stordiameter (nominell diameter) d. — basis lillediameter d - d + dl ds = spenningsdiameter d = +d2 s 2 p — stigning

Figur 1.9 Betegnelser på en skruegjenge

av stigninger og diametere. England og andre engelskspråklige land som USA, Canada

og Australia, har et standardiseringssystem som bygger på tommer, mens fastlandet i

Europa har et metrisk system. Men det er nå lykkes å oppnå internasjonal enighet om et

system for festegjengeprofiler. Dette systemet er utarbeidet av ISO (International Standard Organisation).

Den trekantede profilen har en profilvinkel på 60°. Det passer både med metriske

gjenger og Unified-gjenger. Nå har de engelsktalende landene vi nevnte ovenfor, besluttet å gå over til det metriske systemet. Etter overenskomst skal metriske gjenger

brukes overalt. Et unntak er gjenger for rørforbindelser. Fordi rørgjenger brukes over hele verden, blir det

anbefalt å beholde dem som de er. Vi skiller mellom (se figur 1.10): - utvendige gjenger -

innvendige gjenger

Figur 1.10 Utvendig og innvendig gjenge

7

a

Utvendig gjenge

b

Innvendig gjenge

Figur 1.11 Forenklet tegning av en gjenge

På tekniske tegninger er det lite hensiktsmessig å gjengi gjenger slik vi hittil har gjort. Figur 1.11 viser en forenklet måte å tegne utvendige og innvendige gjenger på. Vi skal nå behandle de tre typene av festegjenger som er mest alminnelige i

maskinkonstruksj on: - metriske gjenger - Unified-gjenger - rørgjenger

Metriske gjenger

Metriske gjenger er standardisert. Se figur 1.12a. Toleransesystemet er også standardisert.

Se figurene 1.12b og c.

Metriske grovgjenger angis med bokstaven M. Eksempel: Ml2 vil si metrisk grovgjenge med nominell diameter 12 mm (d for utvendig gjenge, D for innvendig gjenge). Figur 1.12a viser basisprofilen til en metrisk gjenge. På figurene 1.12b og c ser vi en sammenstilling av innvendig og utvendig gjenge. Med minimal klaring oppnår vi en

H6/g6-pasning som er den anbefalte ISO-pasningen.

For metriske gjenger angir vi også stigningen. En gjenge som er angitt som M12 x 1,5

er en metrisk fingjenge med nominell diameter (D eller d) på 12 mm og en stigning på 1,5 mm. Uttrykkene «fin» og «grov» skal ikke oppfattes som kvalitetsbetegnelser, men

en grov gjenge er en gjenge med den største stigningen som brukes i praksis.

8

= = = = =

stigning 0,866 025 p 0,541 266 p profilvinkel flankevinkel

Uten minimum flankeklaring (pasning H/h)

d = stordiameter dx = midtdiameter d2 = lillediameter

utvendig gjenge

D = stordiameter Dt = midtdiameter D2 = lillediameter

innvendig gjenge

Med minimum flankeklaring (pasning H/g)

Figur 1.12 Gjengeprofil, metriske gjenger

1.3.2

Unified-gjenger Unified-gjenger har samme gjengeprofilen som metriske gjenger. Se figur 1.12.

Dimensjonene blir oppgitt i brøkdeler av tommer. Det er to serier av Unified-gjenger,

UNC (Unified Coarse = grov) og UNF (Unified Fine = fin). En UNC-gjenge kan for eksempel ha betegnelsen 3/4-10 UNC. Det vil si at den ytre diameteren til gjengen er 3/4 tomme = 19,05 mm. Vi har 10 gjenger per tomme, det vil

si at skruelinjen parallell med senterlinjen har gjort 10 omdreininger på en lengde av 25,4 mm. Se figur 1.13. Vi kan beregne stigningen slik:

25,4 O 7 - Fb ■ 0,95 = 0

Det vil si:

r-

22,11 • 0,7 0.95 ^A-nN

Den horisontale reaksjonskraften i A: 5Fv = 0.

150

Fa-Ftd + Fb = 0

Det vil si:

f\ -F* F., = 22,11 - 16,29 = 5,82 kN d

Bøyemomentet i C:

Mb = 5,82 • 0,2 = 1,164 kN-m

Bøyemomentet i D: Mb = 5,82 • 0,7 = 4,074 kN-m

e

Det resulterende momentet i C:

Mb . = Jtø. 2 + Mb 2 bres i c v bv bh blir:

M. . = J2,0952 + 0,6992 = 2,208 kN-m ures i c v

Det resulterende momentet i D: M, = JMb 2 + M 2 bres i d v N bh

blir: M = j0,6992 + 4,0742 = 4,133 kN-m Dres i d v

Som beregningene viser, er det resulterende momentet størst i D.

f

Ser vi på akselen fra venstre mot høyre, dreier mellomakselen mot høyre. Det vil si at vrimomentet er positivt. Vrimomentet blir tilført av motoren i punkt C og avgitt av hjulet i punkt D. Vrimomentet Mv = 3317 Nm = 3,317 kNm (se beregningene

under c).

g

Ifølge beregningene er tverrsnitt D hardest belastet. Det dimensjonerende momentet

er:

M,=

/4,1332

• 3,3172 = 5,033 kN-m

151

500

Vertikal belastning

Skjaerkraftdiagram (kN)

Bøyemomentdiagram (kN ■ m)

Horisontal belastning

Skjærkraftdiagram (kN)

Bøyemomentdiagram (kN ■ m)

Resulterende momentdiagram (kN • m)

Vrimomentdiagram (kN ■ m)

Figur 4.26

152

Dobbelt bøyning og vridning

h

Den nødvendige akseldiameteren: M = W • o. som gir 5,033 • 106 = 0,1 d3 • cr. i b b ’ b Det vil si:

d —

3/5,033 • 106 ------------------ — 94,3 mm. V 0,1 • 60

Vi avrunder til 95 mm.

Oppgaver Øvingsoppga ver 1

På mellomakselen til en tannhjulsveksel har vi et tannhjul C med en delesirkel på 400 mm og et tannhjul D med en delesirkel på 200 mm. Kraften på tannhjul C er Ft(C) = 20 kN og på tannhjul D Ft(D) = 40 kN. Akselmaterialet er Fe 490 med en tillatt bøyespenning