Podstawy konstrukcji napędów maszyn: PKM 2 9788371433474 [PDF]

Zitiervorschau

W książce omówiono teorię i praktykę konstruowania elementów i zespołów maszynowych służących do nadawania ruchu maszynom. Skrypt stanowi usystematyzowane zwarte kompendium najnowszej niezbędnej wiedzy inżynierskiej o elementach maszyn i elementach konstrukcji napędów oraz o zachodzących w maszynach zjawiskach i procesach wraz z odniesieniami do historycznego dziedzictwa konstrukcyjnego oraz do własnych doświadczeń zespołu autorów.

ZAWARTOŚĆ zarys historii techniki napędowej maszyny i ich układy napędowe obciążenia, zjawiska i procesy zachodzące w maszynach sprężyny metalowe i elastomerowe wały i osie łożyska toczne i ślizgowe sprzęgła i hamulce przekładnie zębate, planetarne, śrubowe, łańcuchowe, pasowe

PRZEZNACZENIE • podstawa całościowego wykładu na temat konstrukcji i eksploatacji napędów maszyn • fundament monotematycznych wykładów na temat określonych elementów lub zespołów napędu maszyn • źródło wiedzy przeznaczone do samodzielnego studiowania • przewodnik dla doświadczonych konstruktorów

ISBN

978-83-7U3-347-4

W książce omówiono teorię i praktykę konstruowania elementów i zespołów maszynowych służących do nadawania ruchu maszynom. Skrypt stanowi usystematyzowane zwarte kompendium najnowszej niezbędnej wiedzy inżynierskiej o elementach maszyn i elementach konstrukcji napędów oraz o zachodzących w maszynach zjawiskach i procesach wraz z odniesieniami do historycznego dziedzictwa konstrukcyjnego oraz do własnych doświadczeń zespołu autorów.

ZAWARTOŚĆ zarys historii techniki napędowej maszyny i ich układy napędowe obciążenia, zjawiska i procesy zachodzące w maszynach sprężyny metalowe i elastomerowe wały i osie łożyska toczne i ślizgowe sprzęgła i hamulce przekładnie zębate, planetarne, śrubowe, łańcuchowe, pasowe

PRZEZNACZENIE • podstawa całościowego wykładu na temat konstrukcji i eksploatacji napędów maszyn • fundament monotematycznych wykładów na temat określonych elementów lub zespołów napędu maszyn • źródło wiedzy przeznaczone do samodzielnego studiowania • przewodnik dla doświadczonych konstruktorów

Bogdan Branowski, Sebastian Głowala, Rafał Mostowski, Piotr Pohl, Maciej Sydor, Dariusz Torzyński, Grzegorz Wieloch, Marek Zabłocki

podstawy konstrukcji napędów maszyn historia • obciążenia • zjawiska sprężyny • wały • łożyska • sprzęgła hamulce • przekładnie

PKM2

pod redakcją Bogdana Branowskiego

^|f>

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej Poznań 2007

Recenzent d r h a b . inż. J A R O S Ł A W S T R Y C Z E K , prof. n a d z w . AUTORZY:

Bogdan BRANOWSKI (rozdz. 2 , 3 , 5 , 6, 7 , 9 , 1 4 ) ; Sebastian GLOWALA (rozdz. 5 ) ; Rafa! MOSTOWSKI (rozdz. 4 ) ; Piotr POHL (rozdz. 1 1 , 1 2 ) ; Maciej SYDOR (rozdz. 1 ) ; Dariusz TORZYŃSKI (rozdz. 1 3 ) ; Grzegorz W I E L O C H (rozdz. 8 ) ; Marek ZABŁOCKI (rozdz. 1 0 )

Skład tekstu Maciej Sydor Projekt okładki Marek Zabłocki, Piotr Gołębniak Redakcja Aleksandra Springer

Utwór w całości ani w e fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mecha­ nicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.

ISBN 978-83-7143-347-4 Wydanie I © Copyright by Politechnika Poznańska, Poznań 2 0 0 7 W Y D A W N I C T W O POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ

6 0 - 9 6 5 Poznań, pl. M . Sklodowskiej-Curie 2 tel. ( 0 6 1 ) 6 6 5 3 5 1 6 , faks ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 3 5 8 3

e-mail: [email protected]

http://www.ed.put.poznan.pl

Sprzedaż publikacji: Księgarnia Politechnik, 6 1 - 1 3 8 Poznań, ul. Piotrowo 3 tel. ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 2 3 2 4 ; faks ( 0 - 6 1 ) 6 6 5 2 3 2 6

e-mail: [email protected]

www.politechnik.poznan.pl

Druk: Zakład Poligraficzny GRAFIKA e-mail: [email protected] 6 1 - 0 6 2 Poznań, ul. Leszka 2 2 , tel./fax ( 0 6 1 ) 8 7 6 8 9 0 8

Spis treści Przedmowa

'

1. PRZYCZYNEK DO HISTORII TECHNIKI NAPĘDOWEJ

9

1.1. O p o w s t a n i u i r o z w o j u m a s z y n

9

1.2. Z a s t ą p i e n i e t a r c i a p o s u w i s t e g o t a r c i e m t o c z n y m

13

1.3. T e c h n i k a p o l s k a w o ś w i e c e n i o w e j p e r s p e k t y w i e i n ż y n i e r s k i e j

16

1.4. R e w o l u c j a p r z e m y s ł o w a

20

1.5. Z a r y s historii p r z e k ł a d n i z ę b a t y c h

21

1.6. L i t e r a t u r a

24

Zagadnienia kontrolne

24

2. MASZYNY I ICH UKŁADY NAPĘDOWE

25

2.1. Maszyna

25

2.2. Układ n a p ę d o w y maszyny

31

2.3. Charakterystyki mechaniczne silników, sprzęgieł i przekładni

38

2.4. Literatura

42

Zagadnienia kontrolne

42

3. OBCIĄŻENIA W MASZYNACH

43

3.1. Zmienność obciążenia

•.

43

3.2. K s z t a ł t o w a n i e o b c i ą ż e ń d y n a m i c z n y c h

44

3.3. Lokalna nierównomierność rozkładu obciążenia w napędach

46

3.4. O b c i ą ż e n i e w p r o c e s i e e k s p l o a t a c j i

51

3.5. Literatura

53

Zagadnienia kontrolne

53

4. ELEMENTARNE ZJAWISKA I PROCESY W MASZYNACH

55

4.1. Wprowadzenie

55

4.2. W a r u n k i w s p ó ł p r a c y powierzchni

58

4.3. Z j a w i s k o i procesy tarcia

58

4.4. Zjawiska s m a r o w a n i a hydrodynamicznego (HD) i etastohydrodynamicznego (EHD)

60

4.5. Procesy zużywania

63

4.6. Technicznie ważne zjawiska reologiczne

65

4.7. Zjawiska z m ę c z e n i a materiału

70

4.8. Literatura Zagadnienia kontrolne

5. ELEMENTY I UKŁADY SPRĘŻYSTE

78 ".

78

79

5.1. Podstawy systematyki i działania

79

5.2. S p r ę ż y n y m e t a l o w e

90

5.3. Obliczenia i kształtowanie sprężyn talerzowych

104

5.4. S p r ę ż y n y e l a s t o m e r o w e ( g u m o w e )

108

5.5. S p r ę ż y n y g a z o w e

116

5.6. L i t e r a t u r a

119

Zagadnienia kontrolne

120

6. WAŁY I OSIE

121

6.1. Definicje 6.2. N a z e w n i c t w o i p o d z i a ł

121 122

6 . 3 . W y t r z y m a ł o ś ć w a l ó w i osi

124

6.4. D y n a m i c z n e z a c h o w a n i e w a ł ó w

149

6.5. Literatura

155

Zagadnienia kontrolne

7. ŁOŻYSKOWANIA I ŁOŻYSKA TOCZNE

155

157

7.1. Funkcje łożysk tocznych

157

7.2. Ł o ż y s k o w a n i a t o c z n e

159

7.3. B u d o w a i klasyfikacja łożysk tocznych

162

7.4. K i n e m a t y k a i d y n a m i k a ł o ż y s k t o c z n y c h

167

7.5. N o ś n o ś ć łożysk tocznych

170

7.6. P a s o w a n i a i s z t y w n o ś ć łożysk

190

7.7. Tarcie łożysk tocznych

191

7.8. Uszczelnienia łożysk

193

7.9. L i t e r a t u r a

199

Zagadnienia kontrolne

200

8. ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE

201

8.1. Definicja, funkcje i zastosowanie

201

8.2. C h a r a k t e r y s t y k a i r o d z a j e

202

8.3. F i z y c z n e p o d s t a w y d z i a ł a n i a

204

8.4. P o d s t a w y teorii s m a r o w a n i a

206

8.5. K o n s t r u k c j a ł o ż y s k p o p r z e c z n y c h

210

8.6. K o n s t r u k c j a ł o ż y s k w z d ł u ż n y c h

214

8.7. Ł o ż y s k a z t a r c i e m s u c h y m i m i e s z a n y m

216

8.8. O b l i c z a n i e ł o ż y s k ś l i z g o w y c h p o p r z e c z n y c h

217

8.9. O b l i c z a n i e ł o ż y s k ś l i z g o w y c h w z d ł u ż n y c h

223

8.10. M a t e r i a ł y ł o ż y s k o w e

223

8.11. Literatura

227

Zagadnienia kontrolne

9. PRZEKŁADNIE ŚRUBOWE

227

229

9.1. Zastosowania i charakterystyki

229

9.2. E l i m i n a c j a l u z ó w w p r z e k ł a d n i ś r u b o w e j

236

9.3. M o d e l o w a n i e konstrukcji śrubowej przekładni ślizgowej

237

9.4. L i t e r a t u r a

242

Zagadnienia kontrolne

10. SPRZĘGŁA I HAMULCE 10.1. Sprzęgła - funkcje, podział i obciążenie

243

245 245

10.2. S p r z ę g ł a s z t y w n e

248

10.3. S p r z ę g ł a s a m o n a s t a w n e

257

10.4. S p r z ę g ł a p o d a t n e

264

10.5. Sprzęgła włączalne

273

10.6. S p r z ę g ł a s a m o c z y n n e

291

10.7. H a m u l c e - f u n k c j e , p o d z i a ł i o b c i ą ż e n i e

299

10.8. L i t e r a t u r a

305

Zagadnienia kontrolne

306

11. PRZEKŁADNIE PASOWE

307

11.1. Wiadomości wstępne

307

11.2. Siły i n a p r ę ż e n i a w c i ę g n a c h p r z e k ł a d n i p a s o w e j

309

11.3. Poślizgi pasa

316

11.4. Kąt o p a s a n i a i d ł u g o ś ć p a s a

319

11.5. N a p i n a n i e p r z e k ł a d n i p a s o w y c h

321

11.6. R o d z a j e p a s ó w

323

11.7. N a p ę d y l i n o w e

340

11.8. Literatura

341

Zagadnienia kontrolne

342

12. PRZEKŁADNIE ŁAŃCUCHOWE

343

12.1.

Wiadomości wstępne

343

12.2.

Rodzaje łańcuchów

344

12.3.

Nierównomierność biegu łańcucha

349

12.4.

Zależności w kole ł a ń c u c h o w y m dla łańcucha d r a b i n k o w e g o

351

12.5.

Obciążenie łańcucha podczas pracy

351

12.6.

Uproszczony obliczeniowy algorytm doboru przekładni łańcuchowej z łańcuchem rolkowym

353

12.7.

Smarowanie łańcuchów

355

12.8.

Regulacje zwisu łańcuchów i napinanie

356

12.9.

Inne zastosowania łańcuchów

12.10 Literatura

358 •

Zagadnienia kontrolne

13. PRZEKŁADNIE ZĘBATE 13.1.

Funkcje przekładni zębatej

13.2.

M i e j s c e p r z e k ł a d n i z ę b a t y c h n a tle o g ó l n e j k l a s y f i k a c j i p r z e k ł a d n i

360 360

361 361

mechanicznych

362

13.3.

P o d s t a w o w e pojęcia

362

13.4.

Rodzaje przekładni zębatych

369

13.5.

W y t w a r z a n i e i b u d o w a kół zębatych

372

13.6.

Teoria zazębienia

379

13.7.

Przekładnie walcowe

387

13.8.

Przekładnie stożkowe

402

13.9.

Charakter obciążenia przekładni zębatych

408

13.10.

Wytrzymałość przekładni

415

13.11.

Literatura

14. PRZEKŁADNIE PLANETARNE

426

429

14.1.

Definicje, charakterystyka i zastosowanie

429

14.2.

Proste przekładnie planetarne

433

14.3.

Złożone mechanizmy planetarne

442

1.4.4.

Falowe przekładnie mechaniczne

444

14.5.

Literatura

448

PrZedniOW3.

„A naprzód co jest ingenier. Ingenier, a z wioska nazwany indzienier słowo z tytułu barzo wysokiego i zacne­ go, bo ingenium ad ingeniarum [lac. - ta­ lent do pomysłów] - od wynalazków wszelkich, inwencyj, struktur i machin generaliter (ogólnie) jest nazwany (...) A większy i zacniejszy jest tytuł i honor bydź ingenierem niż matematykiem, bo matematyk może bydź tyło uczony, a ingenier practice umiejący nauki mate­ matyczne w samej rzeczy odprawić, eg­ zekwować i robić - jako zacniejsza z samą nauką - praktyka od samej na­ uki".

Józef Naronowicz-Naroński, Architectura militaria, to jest budownictwo wojenne (1655-1659)

Zamysł napisania książki dydaktycznej dojrzewał wolno. Autorów nurtowało pytanie - po co tworzyć nowe opracowanie, skoro istnieje wiele dobrych publika­ cji polskich i obcojęzycznych, a polska literatura konstrukcyjna zawiera wiele znakomitych i całościowych ujęć przedmiotu „podstawy konstrukcji maszyn". W zasadzie każde pokolenie profesorów w ostatnim pięćdziesięcioleciu pozo­ stawiło swoje piętno w postaci obszernej monografii w objętości powyżej 1500 stron. Obszar i głębia wiedzy zawartej w tych dziełach odpowiadają bardziej po­ trzebom wykładowców i doktorantów niż współczesnych studentów studiów poli­ technicznych. Współczesny trzystopniowy system studiów inżynierskich, magi­ sterskich i doktoranckich w szkolnictwie wyższym wymaga odrębnego piśmien­ nictwa dydaktycznego dla każdego rodzaju studiów. Niniejsza książka jest przeznaczona dla studentów studiów magisterskich na wydziałach mechanicznych politechnik na kierunkach „mechanika i budowa maszyn" i „transport" oraz studentów studiów magisterskich na wydziałach tech­ nologii drewna uniwersytetów przyrodniczych, studiujących różne przedmioty podstawy konstrukcji maszyn, maszynoznawstwo czy elementy mechanicznych układów napędowych. Według naszych koncepcji książka powinna umożliwiać realizację starych po­ stulatów zawartych w projekcie profesora Politechniki Warszawskiej Stanisława Płużańskiego z 1941 roku, dotyczącym reorganizacji szkolnictwa zawodowego w Polsce, a opracowanym dla emigracyjnego rządu londyńskiego:

• •

raczej kształcić przyszłego inżyniera, niż nauczać, raczej dawać doskonałe podstawy, prawie niezmieniające się w czasie, niż często zmieniające się formy zastosowań. Powinna także być zgodna z nowymi postulatami wynikającymi z potrzeb se­ lekcji szybkozmiennej i obszernej konstrukcyjnej wiedzy obiektowej i z potrze­ bami szeroko rozumianej praktyki inżynierskiej w zmienionym środowisku pra­ cy inżyniera. Spełnieniem tych postulatów nie może być nowy, obszerniejszy od wcześniej­ szych, podręcznik bez wewnętrznego porządku, selekcji i hierarchii wykładanej wiedzy. Ta publikacja, rozpoczynająca się od rysu historii rozwoju techniki napę­ dowej, syntezuje ważne dla konstruowania podstawowe zjawiska i procesy fizyczno-mechaniczne oraz wskazuje na ich wpływ na trwałość i niezawodność maszyn. Obciążenie, a właściwie jego zmienność w eksploatacji, jest potraktowa­ na jako problem konstrukcyjny. Książka umożliwia syntezę wiedzy „od ogółu do szczegółu", czyli od maszyny przez jej napęd do elementów techniki napędo­ wej. Autorzy wprowadzają różnorodne zagadnienia klasyfikacji, oceny i wyboru zespołów konstrukcyjnych oraz elementów opartych na racjonalnych kryteriach. Zachowują przy tym hierarchię w przedstawianiu obiektowej wiedzy, zgodną z wynikami badań jej zastosowania. Wyraźnie uprzywilejowane są rozdziały do­ tyczące osi i wałów, łożysk tocznych oraz uszczelnień, mniejsze znaczenie mają rozdziały poświęcone sprężynom, sprzęgłom i hamulcom, a najmniejsze rozdziały związane z przekładniami. Książka powinna być pomocna przy powtarzaniu wykładów, chociaż nie może zastąpić samego uczestnictwa w wykładach. Chodzi o zerwanie jednostronnej komunikacji w procesie nauczania, to znaczy sytuacji, w której wysokiej aktyw­ ności wykładowcy odpowiada pasywna postawa studenta. Student powinien od­ krywać, współpracować i przeżywać odkrywanie wiedzy, a wykładowca moty­ wować, organizować, doradzać w procesie dydaktycznym. Przy tej zmianie zasa­ dy nauczania z „przekazywania wiedzy" na „sprostanie uczeniu się" można prze­ prowadzić wykład obejmujący tylko wybrane, interesujące lub ważne części mate­ riału dydaktycznego, uwolnić wykładowcę od rutyny i powiązać treści wykładu z jego doświadczeniem.

Z pozdrowieniami dla życzliwych Czytelników

Bogdan Branowski i współautorzy Poznań, maj 2007

1. PRZYCZYNEK DO HISTORII TECHNIKI NAPĘDOWEJ

NAJSTARSZY N A P Ę D - antikithira z I w. p.n.e.

1.1. O p o w s t a n i u i r o z w o j u m a s z y n Technika jest tak stara jak rodzaj ludzki. Nie rozpoczęła się bynajmniej w czasach skonstruowania bardziej wyspecjalizowanych narzędzi w starożytności, lecz przyszła na świat razem z ludźmi. Pierwsze ślady, jakie pozostawili na ziemi nasi antenaci, są śladami początków techniki (za najstarszy artefakt uważany jest pięściak , wytwór kultury 01duvai, sprzed ok. 2 min lat p.n.e., znaleziony w latach pięćdziesiątych XX w. w Tanzanii [14]). Współczesne maszyny osiągnęły wysoki stopień rozwoju w wyniku tysięcy lat przeobrażeń i udoskonaleń; ich rozwój od czasów najdawniejszych do chwili obecnej następował w sposób ewolucyjny. Proces ten miewał okresy przyspieszeń i zahamowań, a nawet cofnięć. Powstanie i ewolucja maszyn były i są przejawem odwiecznej konieczności wzmacniania i zastępowania narządów człowieka, związanej z nieustannym dążeniem do coraz to lepszego (jakościowo i ilościowo) zaspokojenia różnego rodzaju potrzeb. Do­ skonałym tego przykładem jest licząca co najmniej 37 000 lat koncepcja łuku (rys. 1.1). Łuk był pierwszym urządzeniem zdolnym do gromadzenia i przetwarzania energii; zmagazynowana w drzewcu potencjalna energia sprężystości zamieniana na energię kinetyczną strzały znakomicie zwiększyła możliwości łowieckie na­ szych paleolitycznych przodków. Przyspieszyła też rozwój techniki. Wydatne skrócenie czasu poświęcanego na polowania umożliwiło powstanie pierwszych dzieł sztuki (malowidła naskalne, pierwsze rzeźby) oraz całej masy nowych na­ rzędzi zwiększających możliwości wytwórcze, ale także tworzących zupełnie 1

' Narzędzie krzemienne o kształcie trójkątnym lub owalnym z masywną podstawą (uchwytem) oraz częścią roboczą w formie spłaszczonego obustronnie stożka z dwoma krawędziami tnącymi oraz szpiczastym wierzchołkiem.

nowe i niespotykane wcześniej potrzeby inspirujące do kolejnych wynalazków. Można uznać, że łuk był najbardziej znaczącym wynalazkiem w historii techniki jako pierwsza i przez to najważniejsza innowacja stymulująca jej rozwój.

Rys. 1.1. Podstawowe typy łuków: a) prosty - najstarsza forma luku, b) refleksyjny (I w. p.n.e.)

Kolejnym znaczącym wydarzeniem w rozwoju techniki była rezygnacja z koczowniczego trybu życia, której towarzyszył rozwój rolnictwa i wykorzysta­ nie siły pociągowej udomowionych wcześniej zwierząt. Stałe miejsca zamieszka­ nia społeczności rolniczych umożliwiły wytworzenie oraz przechowanie o wiele większej ilości wytworów techniki niż warunki życia ludów nomadycznych. Konsekutywnym czynnikiem wpływającym na technikę było opracowanie pisma . Wynalazek pisma, umownie oddzielający czasy prehistoryczne od historycznych, umożliwił niezbędną dla rozwoju techniki kumulację wiedzy kolejnych pokoleń. Pierwszymi bardziej złożonymi urządzeniami typu maszynowego były tzw. maszyny proste, stosowane już w neolicie (ok. 8800-2000 rok p.n.e.). Istnieją dwa podstawowe rodzaje maszyn prostych: obrotowe (dźwignia) oraz przesuwne (równia pochyła), a także ich rozwinięcia (np. kołowrót, klin itd.). Umożliwiają one lub ułatwiają wykonanie pracy przez zmianę wartości i kierunków działania sił. Łącząc podstawowe maszyny proste, w III wieku p.n.e. w krajach helleni­ stycznych skonstruowano dość skomplikowane mechanizmy, m.in. wielokrążek, przenośnik ślimakowy i pompę tłokową. W średniowieczu zaczęto konstruować wiatraki (w Iranie co najmniej od połowy X, w Europie od początku XII wieku), oraz koła wodne stosowane do napędu młynów zbożowych i papierniczych. Opracowanie technik drukarskich w Europie legło u podstaw rewolucji na­ ukowej zapoczątkowanej na przełomie XIV i XV wieku. Jednym z jej przejawów był przewrót kopernikański - odejście w XVI wieku od kanonów astronomii Pto­ lemeusza, a następnie przewartościowanie reguł mechaniki Arystotelesa dokonane w wiekach XVI i XVII przez Galileusza, Newtona i innych. Dało to impuls do przyspieszonego rozwoju konstrukcji maszyn i urządzeń, przejawiającego się między innymi doskonaleniem konstrukcji napędów zegarów mechanicznych. Pierwsze mechaniczne zegaiy wieżowe z regulatorem w formie kolebnika (rys. 1.2d) i z napędem grawitacyjnym (w formie opadających obciążników (rys. 1.2a) 2

2

Mezopotamia, polowa IV tysiąclecia p.n.e.

skonstruowano już na przełomie wieków XIII i XIV. Około 1510 roku do napędu zegara zastosowano sprężynę, zaś kółko balansowe zastąpiło kolebnik. Te zmiany konstrukcyjne umożliwiły budowę zegara przenośnego. W 1656 roku zegar waha­ dłowy, przedstawiony na rysunku 1.2c, zbudowany przez Christiaana Huygensa (1629-1695), uzyskał dokładność rzędu kilku minut na dobę.

Rys. 1.2. Regulacja i napęd pierwszych mechanizmów zegarowych: a) najstarsze przedstawienie grawitacyjnego zespołu napędowego - rysunek z albumu Villarda de Honnecourt (1235); b) mechanizm zegara wieżowego z XIV wieku znalezionego w pałacu w Szczekocinach (woj. śląskie) [13]; c) zegar wahadłowy Christiaana Huygensa (1673); d) kolebnik z wychwytem szpindlowym, 1 i 2 - występy na szpindlu kolebnika współpracujące z kołem wychwytowym (XIII— XIV w.); e) wychwyt z kołem wychwytowym stosowany w zegarach z wahadłem (od XVII w.)

Na rysunku 1.2b przedstawiono mechanizm zegara wieżowego znaleziony w Szczekocinach, wykonany w Polsce w XIV wieku. Jest to jeden z najstarszych

zegarów mechanicznych. Twórca i miejsce zainstalowania urządzenia nie są znane (Uniwersytet Krakowski?). Zegar nie był wyposażony w mechanizm wskazujący czas (tarczę i wskazówki); kolejne godziny sygnalizował uderzeniem w dzwon. Zastosowano w nim wychwyt szpindlowy i kolebnik. Innym przejawem przyspieszonego rozwoju techniki wskutek rewolucji na­ ukowej był rozwój napędów maszyn i urządzeń w górnictwie, młynarstwie, bu­ downictwie, hutnictwie, tartacznictwie, garbarstwie, szklarstwie oraz innych dzie­ dzinach działalności wytwórczej. Od końca XV stulecia szeroko stosowano kiera­ ty konne do napędu pomp oraz urządzeń dźwignicowych. Szacuje się, że na et­ nicznie polskich obszarach w XVI w. pracowało ok. 3000 kół wodnych, których łączna moc przekraczała 4500 kW. Napędzały one urządzenia ok. 1000 młynów, 200 kuźnic, 100 tartaków, 30 papierni, a także szereg innych wytwórni [8], Sporządzanie dokumentacji obliczeniowej, rysunkowej oraz tworzenie wirtual­ nych modeli projektowanych maszyn i urządzeń jest obecnie głównym zadaniem twórców techniki. W czasach obecnych projektant w ten sposób przekazuje infor­ macje wykonawcom dzieła, tworzącym jego materialną formę. W starożytności i średniowieczu przekazywanie idei i założeń technicznych bezpośrednim twór­ com wykonywanego obiektu odbywało się wyłącznie poprzez udział konstrukto­ rów w pracach realizacyjnych. Początkowo były to najczęściej wskazówki ustne, rzadziej szkicowe. Starożytni i średniowieczni inżynierowie oraz majstrowie umieli wznosić wspaniałe i monumentalne budowle, potrafili konstruować i sto­ sować nowe i nierzadko dość złożone maszyny i urządzenia. Jednocześnie, o dzi­ wo, nie umieli wykonywać odpowiednich rysunków dobrze przedstawiających konstruowane maszyny i stosowane rozwiązania techniczne. Powstawały wspania­ łe obrazy, natomiast nie potrafiono wykonać graficznego zapisu konstrukcji dzieł technicznych. Zachowane do naszych czasów rysunki i szkice sporządzone przez wybitnych twórców techniki, np. Villarda de Honnecourta świadczą o tym aż nazbyt dobitnie (por. rys. 1.2a). W czasach odrodzenia uległa poprawie zarówno forma, jak i jakość rysunku technicznego. Leonardo da Vinci (1452-1519) przedstawiał zaprojektowane lub zmodernizowane przez siebie maszyny i urządzenia techniczne w formie szczegó­ łowych i dokładnych szkiców prezentujących ich budowę i zasady działania. W tym okresie wprowadzono skalę oraz wymiarowanie przedmiotów na rysun­ kach. Bardziej skomplikowane podzespoły przedstawiano w rzutach. Charaktery­ styczny dla czasów odrodzenia jest jednak brak danych liczbowych dotyczących mocy, siły, prędkości ruchu itp. na opisach i szkicach maszyn i urządzeń. Te naj­ istotniejsze w naszych czasach wielkości nie były ówcześnie ściśle zdefiniowane, choć niewątpliwie intuicyjnie rozpoznawane przez konstruktorów. 3

3

Villard de Honnecourt (ok. 1195-?), budowniczy francuski. Wzniósł przypuszczalnie katedrę w Cambrai (nie zachowana). Autor przechowywanego w Bibliotheąue Nationale w Paryżu szkicownika, datowanego na 1235 rok, zawierającego na 33 pergaminowych kartach 325 rysunków technicznych wykonanych piórkiem wraz z dołączonymi objaśnieniami.

1.2. Zastąpienie tarcia posuwistego tarciem t o c z n y m Zjawisko tarcia jest tak powszechne, że stało się przyczyną sformułowania przez Arystotelesa (384-322 p.n.e.) błędnej hipotezy, według założeń której, aby ciało się poruszało, potrzebne jest działanie na nie stałej siły. Tarcie wpływa bez­ pośrednio na sprawność, trwałość i niezawodność maszyn i urządzeń. Nierzadko eliminacja lub istotne zmniejszenie tego zjawiska umożliwia skonstruowanie no­ watorskiego urządzenia. Milowym krokiem w rozwoju techniki było zastąpienie tarcia posuwistego tar­ ciem tocznym. Warto zauważyć, że zastosowanie koła jest osiągnięciem całkowi­ cie oryginalnym - natura go nie wykorzystuje. Wynalezienie koła oraz jego zasto­ sowanie w transporcie najprawdopodobniej nie było wynikiem przebłysku geniu­ szu jakiegoś jednego neolitycznego wynalazcy. Zapewne proces twórczy przebie­ gał w sposób ewolucyjny. Do niedawna przyjmowano, że koło zostało wynalezio­ ne ok. 5 tysięcy lat temu na Bliskim Wschodzie (Mezopotamia). Najnowsze zna­ leziska archeologiczne wskazują jednak, że proces ten mógł się rozpocząć już tysiąc lat wcześniej (w pieiwszej połowie IV tysiąclecia p.n.e.) w Europie Środ­ kowej (!) (por. rys. 1.3d). Wykopaliska prowadzone na Bliskim Wschodzie nie przyniosły przekonującego dowodu znajomości koła przed 3100 rokiem p.n.e. Według archeologów archetypem wozu najprawdopodobniej były „tragi na szpuli" (powstałe w wyniku ewolucji metody transportu ciężkich ładunków pole­ gającej na podkładaniu okrąglaków pod sanie transportujące - rys. 1.3a - ten spo­ sób transportu stosowany był na przykład przy budowie licznie występujących w Europie obiektów megalitycznych ). Ze względu na ogromną użyteczność ta­ kiego rozwiązania kolejne jego udoskonalenia doprowadziły do zbudowania wozu dwu- lub czterokołowego z obrotowymi osiami (rys. 1.3b i 1.3c). Już w drugiej połowie IV tysiąclecia p.n.e. oś zostaje osadzona nieruchomo, a koła kręcą się na niej - powstaje łożysko ślizgowe. 4

5

6

4

Mogą o tym świadczyć następujące europejskie znaleziska archeologiczne: (1) rysunek wozu wyryty na naczyniu ceramicznym z Bronocic pod Krakowem (połowa IV tysiąclecia p.n.e.); (2) ornament na naczyniu ceramicznym symbolizujący przypuszczalnie wóz czterokołowy (Ostrowiec Świętokrzyski, druga połowa IV tysiąclecia p.n.e.); (3) dwa naczynia - modele wozu z okolic Budapesztu (schyłek IV tysiąclecia p.n.e.); (4) ryt na kamieniu grobowym przedstawiają­ cy pojazd dwukołowy, ciągnięty przez parę wołów z okolic północnej Hesji (Niemcy) (przełom IV i 111 tysiąclecia p.n.e.); (5) dość liczne fragmenty wozów pochodzących z pierwszych wieków III tysiąclecia p.n.e. - głównie kola i osie, które ugrzęzły w bagnach i zachowały się dzięki brakowi dostępu tlenu. Tego typu wehikuły składają się z trag (traga - platforma sań, na której spoczywa ładunek), zaopatrzonych w dwa gniazda na każdą oś (od spodu). Traga każdą parą gniazd współpracuje z j e d n a „szpulą". Ta szpula to oś, tworząca jedną całość z kołami i przypominająca nieco zestaw kołowy stosowany w kolejnictwie. Dzięki wspomnianym gniazdom „szpula" nie wyjeżdża spod trag (opis na podstawie [5]) - rys. 1.3b. Budowli sakralnych lub grobowych z olbrzymich bloków kamiennych, układanych bez za­ prawy, wznoszonych w Europie w okresie od ok. 3000 do 750 roku p.n.e. (na Wyspach Brytyj­ skich do ok. 100 roku p.n.e.). 5

6

Rys. 1.3. Powstanie pojazdów: a) „tragi na szpuli"; b) pojazd o obrotowej osi; c) rekonstrukcja wozu i zaprzęgu z Bronocic z IV tysiąclecia p.n.e. (wg [3], ryc. 53:3, s. 167); d) jeden z piktogra­ m ó w wozu na naczyniu z Bronocic

Niewątpliwie najstarszym materiałem stosowanym na łożyska ślizgowe jest drewno. Ślizgowe łożyska drewniane wykonywane były z twardego drewna (np. grabu, dębu, akacji). W celu zwiększenia sprawności smarowano je tłuszczem pochodzenia zwierzęcego lub wodą. Wraz z rozwojem konstrukcji wprowadzano nowe materiały konstrukcyjne - metalowe klamry spinające, metalowe czopy. Starano się w ten sposób wyeliminować największą wadę drewna - niewielką wytrzymałość w kierunkach stycznym i promieniowym w porównaniu do wy­ trzymałości w kierunku równoległym do włókien. W miejscach agresywnych środowisk (np. woda morska lub wyziewy hutnicze), przyspieszających korozję (a szczególnie elektrokorozję) metali, drewno mimo swoich wad przez długi czas nie miało dobrego zamiennika [2]. W XVII wieku drewno zastąpiono metalami, początkowo kojarząc stalowy wał z panewką wykonaną ze stopów miedzi (brązów i mosiądzów). Wał poddawano nawęglaniu, wygrzewając go. w węglu drzewnym lub w szczątkach organicznych (rogi, kopyta bydlęce, odpadki skór). W XVIII wieku rozpoczęto eksperymenty ze stopami łożyskowymi (cynowymi i cynowo-ołowianymi), stosowanymi również w czasach współczesnych. Naturalnym etapem rozwoju technik łożyskowania było zastosowanie tocz­ nych elementów pośredniczących pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Idea łożyskowania tocznego ma ponad 2000 lat. We wraku rzymskiego statku datowanego na 40 roku p.n.e. odnaleziono obrotowy stół łożyskowany tocznie (znalezisko z jeziora Nemi we Włoszech). Autorem koncepcji łożyskowania kul­ kowego wałów jest najprawdopodobniej Leonardo da Vinci (ok. 1500 r. - rys. 1.4a). Jednak pierwszy rysunek łożyska kulkowego (w możliwej do zastosowania

formie konstrukcyjnej) składającego się z dwóch bieżni oraz zestawu kulek umieszczonych w koszyku pojawia się dopiero w XVII wieku w pismach Galileo Galilei (1564-1642). Od opublikowania pomysłu Galileusza do jego realizacji upłynęło niemal 100 lat. Podstawową zaletą łożysk tocznych w porównaniu z łożyskami ślizgowymi są bardzo małe opory ruchu w całym zakresie prędkości obrotowej, jednak aby to osiągnąć wymagają one precyzyjnej i trudnej technolo­ gicznie obróbki współpracujących części: elementów tocznych (kulek, wałeczków itp.), koszyka oraz pierścieni. Nie jest zatem dziełem przypadku, że pierwsze za­ stosowane łożysko kulkowe zostało zbudowane przez zegarmistrza Johna Harrisona (1693-1776). Doszło do tego dopiero w połowie lat czterdziestych XVIII wieku, łożyska toczne zostały użyte w precyzyjnym chronometrze przeznaczonym do nawigacji morskiej (rys. 1.4b). Pierwszy patent dotyczący konstrukcji łożyska tocznego pochodzi natomiast z 1794 roku i jest autorstwa Philipa Vaughana z Carmarthen (południowa Walia). Początkowo łożyska toczne, z uwagi na proble­ my z precyzyjną obróbką części składowych, a szczególnie elementów tocznych, były stosowane bardzo rzadko. Dopiero w roku 1883 Friedrich Fischer skonstru­ ował obrabiarkę (młyn) pozwalającą precyzyjnie i stosunkowo tanio obrobić sta­ lowe kulki.

Rys. 1.4. Łożyskowanie toczne; a) koncepcja łożyskowania tocznego Leonarda da Vinci (1497) łożysko wzdłużne ( l ) oraz poprzeczne (2) (Codex Madrid I)\ b) precyzyjny chronometr morski H3 konstrukcji Johna Harrisona (1757) - pierwsze zastosowanie łożyskowania tocznego wałów

U progu XX w. Henry Timken, fabrykant i wynalazca, udoskonalił konstrukcję łożysk tocznych, wynalazł i wdrożył do produkcji łożysko igiełkowe (patent z roku 1898). Jego udoskonalenia w zakresie metod obróbki pozwoliły na masową produkcję łożysk tocznych.

1.3. T e c h n i k a p o l s k a w oświeceniowej perspektywie inżynierskiej „Królowie ich podróżują wozami wielkimi, (...) wzniesionymi na czterech kolach. W czte­ rech rogach ich (tj. tych wozów) są ustawione cztery mocne belki, z których zwisa na mocnych łańcuchach kolebka wyścielona brokatem, tak że siedzący w niej nie trzęsie się podczas wstrząsów wozu. Przygotowują le (tj. wozy z kolebkami) również dla chorych i rannych (...)" . 7

Gwałtowny rozwój techniki europejskiej w XV wieku nierozerwalnie związa­ ny był z pojawieniem się i rozkwitem literatury technicznej. Pojawienie się tej ostatniej zawdzięczamy genialnemu połączeniem przez Gutenberga znanych już wcześniej trzech współzależnych elementów: ruchomych metalowych wypukłych czcionek o znormalizowanej wielkości (przeznaczonych do wielokrotnego użyt­ ku), urządzenia do ich szybkiego odlewania oraz prasy drukarskiej. Metoda druku opracowana przez Gutenberga umożliwiała reprodukcję tekstów oraz ilustracji. W ciągu kilkudziesięciu lat od opracowania techniki druku wydano więcej książek niż w całej dotychczasowej historii ludzkości. Obok dzieł o tematyce religijnej, filozoficznej oraz dzieł literackich pojawiły się również książki techniczne. Pierwszy, najwcześniejszy okres rozwoju piśmiennictwa technicznego w Pol­ sce zaczyna się w połowie XV wieku. Zakres rzeczowy naszej dawnej literatury specjalistycznej obejmuje siedem działów: geodezję, inżynierię lądową, budow­ nictwo, mechanikę i budowę maszyn, górnictwo i hutnictwo, chemię przemysłową oraz technikę wojenną (ta ostatnia, łącząc w sobie prawie wszystkie wymienione poprzednio dziedziny, stanowi jednak w tych czasach pewną zamkniętą całość). W czasach oświecenia w książkach technicznych pojawiają się informacje o wa­ dze podnoszonych ciężarów oraz szczegółowe dane dotyczące wymiarów i kine­ matyki poszczególnych podzespołów i części maszyn (np. obliczenia kinematycz­ ne przekładni mechanicznych) jednak bez analizy występujących obciążeń me­ chanicznych oraz ich wpływu na wytrzymałość konstrukcji. Pierwszą polską książką techniczną jest podręcznik do geodezji Marcina z Żu­ rawicy, profesora Akademii Krakowskiej - Geometria. Dzieło to, napisane w 1450 roku po łacinie, zachowało się do naszych czasów w dwóch odpisach. Po wstępie, obejmującym wyjaśnienie zagadnień teoretycznych (geometria), następu­ je wykład metod i technik stosowanych w geodezji. Zawód staropolskiego inży­ niera związany był głównie z wojskiem, wkrótce jednak obok inżynierów woj­ skowych pojawili się również cywilni. Początkowo nie istniała specjalizacja w wykształceniu inżynierów, każdy z nich musiał posiadać wykształcenie obejmu­ jące wiele gałęzi wiedzy, m.in. miernictwo, budownictwo wojskowe i cywilne, inżynierię lądową i wodną, mechanikę oraz chemię. 7

Relacja Ibrahima ibn Jakuba z podróży do krajów słowiańskich (odbytej w latach 965-966) w przekładzie Al-Bekriego; w g [1],

Autorem pierwszej książki traktującej o metodach konstruowania maszyn na­ pisanej

w języku

polskim

był

Stanisław

Solski

8

(Architekt

polski,

wydany

w 1690 r o k u - r y s . 1.5a).

ARCHITEKT POLSKI. TO

i

f

S 7

N AVKA V L Ż E N I A WSZELKICH

CIĘŻARÓW.

Vśywania potrzebnych Machin, śiemnych y wodnych. Scawunia ozdobnych Kośćiolbir mafym kofztcm. O proporcyt rzeczy wyfoko ftoiacych. O w (chodach y pawimentach. Czego (i» chronić y irzj-mac » budynkach od «uRd£/VKn» tow iż do dachu. O Fortyfikicyl. X o infzyc.h trudno&iźtri Budowniczych. DO DRVKV PODANI.

X.

S T A Ht

t Ał 9Z KB ZM l i r i l t t SOC«l«łł J & S f: ł>

» M D C L X X X Ł *6mk4t*l MlKoUn AkiaAMB*.* 8 c « « » w J-feM.O l i TrpOgl.

b)

L/J5£A

NONVS.

MIRABILIA CHRON O M E T R 1 C A , A u

TECHNASMATA VARIA AD TEMPORUM MECHAN1CAM

piMENSIONEM SftCTAHTIA.

PK.OOEMIUM. Um tempus, tjuod numetum motus ftcundilm priut & pofterius definiunc Philolbphorum Scholar, adco fit du' biae quoad vctoatatem ac tarditatem uniformie us , uc nullus fortaffis ctiamin ccclo fit rńotus, cui illa conflanter compeatj minime: nutumvidertdebct, acc aceuratam cemporis menfutam ullos ha&enus feu Pliilofoplios, (tu AftrorK)mc^fcuquoscwqucChrorromcwis efle aflęcutos, variajidklDuchuui a inquam, ArcnarU, Horologia rotau , Scuthcrici vatja Ara.lcmm»ticaqae inUrumcnca, mijle atoriIiii bus >

Rys. 1.5. Pierwsze polskie książki z dziedziny mechaniki: a) strona tytułowa Architekta polskiego Slanisiawa Solskiego (1690); b) strona tytułowa Mirabilia Chronometrica Adama Kochańskiego (1687)

Współcześnie z Solskim żył i działał pochodzący z Mazowsza Wojciech TylkowskP (1624-1695). Był on autorem ok. 60 dziel o treści przeważnie teologicz­ nej lub filozoficznej. Oprócz tego jednak napisał po łacinie kilka prac o charakte­ rze technicznym. Wśród nich zasługują na uwagę: Geometria practisa

curiosa

(Ciekawa geometria praktyczna), wydana w Poznaniu w 1692 roku, zawierająca wiele danych z dziedziny metrologii, oraz obszerniejsze, czterotomowe dzieło,

8

Stanisław Solski (1620-1670), teolog, matematyk, mechanik i architekt; autor metra polski (1-3, Kr 1683-1686, 713 s.) i Architekt polski (Kr 1690, 261 s.); jezuita; w Rawie (1652-1654), matematyki w Kaliszu (1654-1655) oraz filozofii w Lublinie prefekt szkół i profesor teologii moralnej w Jarosławiu (1659-1660), profesor Pisma niu (1660-1662), rektor w Sandomierzu (1664-1665) oraz prof. teologii moralnej (1666-1667), otrzymał tytuł mathematicus regitis [6].

książek Geo­ prof. filozofii (1656-1659), św. w Pozna­ w Przemyślu

Philosophia curiosa (Ciekawa filozofia), wydane w Oliwie wiatach 1680-1682. Szósta księga owej „filozofii", Physica curiosa (Ciekawa fizyka), poświęcona jest zagadnieniom mechaniki. Wojciech Tylkowski omawia w niej „machiny proste" i ich zastosowanie. Między innymi wspomina o ustawianiu w 1644 roku na Placu Zamkowym w Warszawie kolumny Zygmunta z pomocą wielokrążka. Dalej na­ stępuje opis bardziej skomplikowanych maszyn i urządzeń (m.in. dźwignic, pomp, przekładni mechanicznych itp.). Trzecim obok Solskiego i Tylkowskiego polskim autorem pierwszych podręczników z dziedziny mechaniki i budowy maszyn był Adam Kochański (1631-1700). Dwie jego prace dotyczące budowy zegarów, Novum genus perpendiculi (wydrukowana w 1685 r.) oraz Mirabilia chronometrica (rys. l.5b), wydrukowana w 1687 roku, traktują o rodzajach napędów zegaro­ wych. W pieiwszej autor opisuje zasadę działania swojego wynalazku, zegarka z wahadłem magnetycznym, natomiast w drugiej m.in. dokonuje klasyfikacji 15 typów kół zębatych, stosowanych w zegarmistrzostwie, opisując i przedstawiając je na rysunkach. Wymieniony Architekt polski Stanisława Solskiego jest pierwszym polskoję­ zycznym podręcznikiem z dziedziny mechaniki i budowy maszyn, przeznaczony jest dla szerokiego kręgu odbiorców i stanowi bardzo cenny zabytek polskiej ter­ minologii technicznej. Pierwsza część została wydana w 1690 roku, dalsze zaś prawdopodobnie nie zostały napisane. Istniejąca część Architektapomyślana jako wstęp do obszerniejszej publika­ cji, obejmuje trzy księgi i traktuje wyłącznie o zagadnieniach mechaniki i budowy maszyn. W księdze, czyli „zabawie" pierwszej, mowa o przyrządach służących do podnoszenia ciężarów - dźwigni, śrubie itp. „Zabawa" druga poświęcona jest zagadnieniom budowy młynów wodnych, kieratów, wiatraków i innych urządzeń, w których mają zastosowanie napędy mechaniczne. Zamieszczono w niej wiele wzorów do obliczeń inżynierskich oraz tablic służących m.in. do doboru parame­ trów kół zębatych dla projektowanych maszyn i urządzeń. „Zabawa" trzecia za­ wiera wiadomości z hydromechaniki. W Architekcie... przedstawiono szczegóło­ wo konstrukcję kilkudziesięciu maszyn i urządzeń. W tekście zamieszczono opi­ sane odnośniki do lysunków, oznaczone kolejnymi literami alfabetu; ułatwia to zrozumienie zasad działania opisywanych urządzeń. Wskazówki przeznaczone dla budowniczych opisywanych konstrukcji opatrzone są wieloma praktycznymi ra­ dami mającymi na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa popełnienia ewentual­ nych błędów konstrukcyjnych. „Znaczna tego przemysłu jest potrzeba, aby koła mniejsze bliższe były ciężaru, który do góry ciągniemy, gdyż im koła większy mają obwód, tym ramiona dłuższe mieć muszą zaczym słabsze i niebezpieczniej­ sze do zniesienia ciężarów". Tak pisał Solski we wstępie do opisu wciągarki bu­ dowlanej (rys. 1.6a). W Architekcie polskim zamieszczono również szereg informacji eksploatacyj­ nych dotyczących opisywanych maszyn i urządzeń. „Na tym miejscu przydawani 9

Przemyśl - pomysł.

10

opis piły prostej konnej o 1 kole i o jednych cewach korbę piłową obracających, która piła na dzień 1 może ze dwojga drzewa miąższego na ćwierci 3 jednego łokcia" zerżnąć tarcic 18 i nadto 4 obżalce" . Piła prosta konna przedstawiona jest na rys. 1.6b. 12

Rys. 1.6. Rysunki maszyn zamieszczone w Architekcie polskim: a) „sposób rozłożenia kól w ma­ chinach, aby mniejsze były bliższe ciężaru, a większe dalej"; b) „piła konna prosta, której para koni zdoła"

Prace XVII-wiecznych polskich autorów książek technicznych nie tylko od­ twarzają stan ówczesnej techniki; również wnoszą do niej wiele oryginalnych

Cewa - pręt (tutaj w znaczeniu palec kola). " 1 łokieć - 24 cale polskie (1 cal polski = 24,8 m m ) . Obżalec - obrzyn, odpadek powstały po przetarciu drewna. 12

rozwiązań. W wielu dziedzinach polska literatura techniczna tamtego okresu znaj­ dowała się w ścisłej czołówce europejskiej. 1.4. Rewolucja p r z e m y s ł o w a Rewolucja przemysłowa, czyli proces przejścia od produkcji rzemieślniczej do fabrycznej (przemysłowej), oraz związany z nią przyspieszony rozwój techniki, przebiegła w dwóch fazach. Istotą pierwszej fazy przemian (przełom wieków XVII i XVIII) było zastosowanie energii pary wodnej jako siły napędowej w pro­ cesach produkcyjnych. Przyczyniły się do tego wynalazki techniczne związane z rozwojem maszyn produkcyjnych (takich jak maszyny przędzalnicze, tkackie itp.), a ich rozwój wywołał z kolei zapotrzebowanie na łatwo dostępną energię mecha­ niczną uzyskiwaną za pomocą pary wodnej. W tabeli 1.1 zestawiono wynalazki, które zapoczątkowały gwałtowny, „rewolucyjny" rozwój techniki europejskiej. Tabela 1.1. Wynalazki, które legły u podstaw rewolucji przemysłowej

Rok 1654 1690 1712 1712 1733 1765 1771

Wynalazca, kraj Otto von Guericke (Niemcy) Denis Papin (Wielka Brytania) Thomas Savery (Wielka Brytania) Thomas N e w k o m e n (Wielka Brytania) John Kay (Wielka Brytania) James Watt (Wielka Brytania) Richard Arkwright (Wielka Brytania)

Opis pokazy zastosowania podciśnienia (kule magdeburskie) kociołek Papina, zastosowanie podciśnienia przy skraplaniu pary do wykonania pracy mechanicznej beztłokowa pompa parowo-wodna „przyjaciel górnika", wy­ korzystująca podciśnienie skroplonej pary atmosferyczny tłokowy silnik parowy wykorzystujący podci­ śnienie po skropleniu pary latające czółenko tkackie (tzw. „szybki strzelec") jeduocylindrowa maszyna parowa ze skraplaczem pary maszyna do przędzenia bawełny

Bardzo duży wpływ na wzrost możliwości konstrukcji nowych maszyn i urządzeń miało opanowanie metody wytopu żelaza z użyciem węgla kamienne­ go, a szczególnie opanowanie nowych metod wytwarzania stali z surówki (H. Bessemer - 1856, P. Martin - 1864, S.G. Thomas - 1879 rok). Warto zauwa­ żyć, że przetworzenie 5 ton surówki na tzw. żelazo kowalne (stal podeutektoidalną - o zawartości węgla poniżej 0,77%) średniowieczną metodą fryszerską trwało ok. 10 dni, z zastosowaniem (udoskonalonej w końcu XVIII wieku w Anglii) metody pudlarskiej - półtora dnia, a metodą Bessemera - 20 minut. Przemiany charakterystyczne dla pierwszej fazy rewolucji przemysłowej roz­ poczęły się w Wielkiej Btytanii ok. roku 1760, w Stanach Zjednoczonych i Belgii

ok; 1820, we Francji ok. 1830, w Niemczech ok. 1840, w Królestwie Polskim ok. 1860, a w Rosji ok. 1880 roku. Druga faza rewolucji przemysłowej przypada na drugą połowę XIX i początki XX stulecia. Spowodowana została gwałtownym przyspieszeniem rozwoju nauki, któremu towarzyszyło powstanie nowych (i znaczne udoskonalenie istniejących) rozwiązań technicznych, począwszy od transportu kolejowego, poprzez tłokowy silnik spalinowy aż do silników elektrycznych. Wynalezienie silnika spalinowego, odkrycia w dziedzinie elektrotechniki, zastosowanie turbin wodnych (od pierwszej polowy XIX w.) i parowych (koniec XIX w.) umożliwiły budowę wielkich elek­ trowni i sieci elektrycznych (od końca XIX w.) i zapewniły możliwości przesyłu energii elektrycznej na znaczne odległości Zwiększyła się dostępność do energii mechanicznej. Przyczyniło się to do dalszego gwałtownego rozwoju techniki na­ pędowej w XX wieku. 1.5. Zarys historii przekładni zębatych Właściwy rozwój przekładni zębatych, stanowiących po dziś dzień podstawo­ we elementy wielu napędów, związany był początkowo z doskonaleniem kon­ strukcji urządzeń do przepompowywania wody, następnie przyrządów astrono­ micznych oraz zegarów wodnych, a szczególnie zegarów mechanicznych. Kto i kiedy po raz pierwszy zastosował koło zębate - trudno jest dzisiaj dociec. Pierw­ sze wzmianki o mechanizmie z przekładnią zębatą znajdują się w pismach Arysto­ telesa (384-322 r. p.n.e.). Najstarszy zachowany tego typu mechanizm wyłowiono z morza u wybrzeży greckiej wyspy Antikithiry w roku 1900 (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Mechanizm zębaty anlikilhira

(gr. avTiKx>0\\pa) z II wieku p.n.e. (a) oraz jej schemat (b)

Mechanizm zębaty antikithira, datowany na II w. p.n.e., składa się najprawdo­ podobniej z 37 kół zębatych wykonanych z brązu. W latach 50. XX wieku ustalo­ no, że był to przyrząd astronomiczny do precyzyjnego wyznaczania wzajemnych położeń Słońca, Księżyca i innych planet. Chronologię rozwoju przekładni zębatych od czasów najdawniejszych do współczesnych przedstawiono na rysunku 1.8. przekładnie

przekładnie

drewniane

metalowe (brąz) (

0

p r z e k l

s t o p y

m

z e

e

t

i

a

l

zęby cykloidaine zęby ewolwentowe

a z a )

1450

1630

1700

1800

2000

rewolucja przemysłowa urządzenia do zegary skrzynki silnik przepompomłyny przekładniowe spalinowy wywania w o d y wodne wjad-a^j dźwignice silnik parowy

Rys. 1.8. Chronologia rozwoju przekładni zębatych oraz ich zastosowań w maszynach

Przyspieszony rozwój konstrukcji przekładni zębatych nastąpił w Europie w czasach renesansu. Wiele rysunków tego typu mechanizmów znajduje się w pismach Leonarda da Vinci. W latach 30. XVII wieku francuski matematyk i architekt Girard Desargues (1591-1661) zaproponował zarys cykloidalny zębów. Po raz pierwszy w dziejach budowy maszyn umożliwiło to zamienność części. Stosowany po dziś dzień zarys ewolwentowy został zaproponowany i uzasadniony teoretycznie przez Phillipe'a de la Hire (1640-1718) w Traktacie o epicykloidach i ich wykorzystaniu w mechanice^, wydanym we Francji w i 694 roku. Do początku XVII wieku, wytwarzając koła zębate, korzystano z pracochłonnej ręcznej metody polegającej na wypiłowywaniu wytrasowanych wcześniej wrębów pilnikiem. Pierwsza wzmianka o obrabiarce do zautomatyzowanego nacinania zębów kół zębatych (stosowanych w zegarmistrzostwie) pojawia się w 1672 roku w pamięt­ niku astronoma Roberta Hooke'a (1635-1703), a pierwszy znany opis tego typu urządzenia autorstwa Nicolasa Biona pochodzi z 1709 roku (Traktat o konstrukcji i zasadach stosowania instrumentów matematycznych^). Prekursorami studiów nad zależnościami geometrycznymi współpracujących kół i związaną z nimi kinematyką przekładni zębatej o zębach ewolwentowych byli m.in. Charles Camus (1699-1768) i Leonhard Euler (1707-1783). W 1842 roku ukazała się w Paryżu monografia Teorie geometiyczne przekładni zębatych autorstwa Th. 01iviera. Opracowanie to podsumowywało ówczesny stan wiedzy w tej dziedzinie. W XIX stuleciu kontynuowano prace nad kinematyką zazębienia oraz optyma­ lizacją zarysów zębów, rozpoczęto również prace nad metodami obliczeń wy15

14

15

Franc, Traite des epicycloides et de leur usage dans les mechaniąues. Ang. Treatise of the Construction and Principal Uses of Instruments of Mathematics. Fraiic. Theorie geometriques des engrenages.

trzymałościowych (pojawiła się konieczność przeniesienia znacznych mocy i prędkości obrotowych w związku z gwałtownym rozwojem tłokowych maszyn parowych, wynalezieniem szybkoobrotowych silników elektrycznych, tłokowych silników spalinowych oraz turbiny gazowej). Powstało szereg nowatorskich i cie­ kawych konstrukcji przekładni (m.in. przekładnie planetarne oraz przekładnie o kołach nieokrągłych). Na uwagę zasługują prace Franza Reuleaux (1829-1905), jednego z pionierów w teorii maszyn i mechanizmów (rys. 1.9).

Rys. 1.9. Modele XIX-wiecznych nietypowych przekładni [8]: a) z kołami „sercowymi" (niem. Herzraderpaar); b) z nieokrągłymi kolami czworobocznymi (niem. Yiereckig imnmde Rdder)

Problemy związane z obróbką kół zębatych o zębach ewolwentowych sprawi­ ły, że do końca XIX wieku w przekładniach zębatych stosowano łatwiejszy w wytwarzaniu zarys cykloidalny. Powstanie odpowiednio dokładnych i wydaj­ nych metod obróbki i kontroli metrologicznej kół na początku XX wieku stało się punktem zwrotnym gwałtownego rozwoju przekładni zębatych w ich współcze­ snej formie.

1.6. Literatura [I]

K o w a l s k i T . : P o m n i k i d z i e j o w e P o l s k i ( M P H ) , t. 1, K r a k ó w 1 9 4 6 .

[2]

Kozakiewicz P., Matejak M.: Łożyska drewniane, Gazeta Przemyślu D r z e w n e g o , maj 2005.

[3]

K r u k J., M i l i s a u s k a s S.: R o z k w i t i u p a d e k s p o ł e c z e ń s t w r o l n i c z y c h n e o l i t u , l A i E P A N , K r a k ó w 1999.

[4]

M i l i s a u s k a s S., K r u k J.: U t i l i z a t i o n of c a t t l e for t r a c t i o n d u r i n g t h e later N e o l i t h i c in S o u t h e a s t e r n P o l a n d A n t i ą u i t y , 6 5 / 1 9 9 1 .

[5]

M o s z y ń s k i K . : K u l t u r a l u d o w a S ł o w i a n , t. 1, K u l t u r a m a t e r i a l n a , K i W , W a r s z a w a

[6]

M u m f o r d L . : T e c h n i k a a c y w i l i z a c j a , P W N , W a r s z a w a 1 9 6 6 (tyt. o r y g . -

1967.

and cyvilization,

Techmcs

wyd. 1934).

[7]

N o w a k T.: C z t e r y w i e k i p o l s k i e j k s i ą ż k i t e c h n i c z n e j , P W T , W a r s z a w a 1 9 6 4 .

[8]

Orłowski B . (red.): Słownik polskich pionierów techniki, W y d . Śląsk, K a t o w i c e

[9]

S c h r O d e r J.: C a t a l o g o f R e u l e a u x M o d e l s P o l y t e c h n i s c h e s A r b e i t s - I n s t i t u t . Iłlu-

1986. stratiotien v o n U n t e r r i c h t s - M o d e l l e n u n d Apparateni, Polytechnisches

Arbeits-

Institut, D a r m s t a d t l 8 9 9 . [10]

S m i t h W . D . : O p t i m a l s h a p e s for G e a r s , N E C 1 9 9 3 .

[II]

Uzarowiczowa

A.:

Ornament

na

naczyniu

kultury

pucharów

lejkowatych

z O s t r o w c a Ś w i ę t o k r z y s k i e g o , W i a d o m o ś c i A r c h e o l o g i c z n e , 1 9 7 5 , vol. 4 0 s. 3 - 1 3 . [12]

Wiślicki A.: Z dziejów maszyn, Polska Oficyna W y d a w n i c z a B A W , W a r s z a w a 1996.

[13]

Ząjdler L.: Dzieje zegara, W i e d z a P o w s z e c h n a , W a r s z a w a 1980.

Strony www [1]

http://www.miisu.edu/emuseuiWarchaeology/ (dostęp 8 . 1 1 . 2006).

[2]

http://www.huber.republika.pl (dostęp 4. 08. 2006).

[3]

h t t p : / / w w w . g r o u p s . d c s . s t - a n d . a c . u k ( d o s t ę p 6. 0 8 . 2 0 0 6 ) .

[4]

h t t p : / / x a h l e e . o r g ( d o s t ę p 7. 0 8 . 2 0 0 6 ) .

[5]

http://www.woodexbearing.com (dostęp 8 . 1 1 . 2006).

[6]

h t t p : / / w w w . j e z u i c i . k r a k o w . p l ( d o s t ę p 9. 0 6 . 2 0 0 6 ) .

[7]

h t t p : / / w w w . w b s s . p g . g d a . p l ( d o s t ę p 9. 0 6 . 2 0 0 6 ) .

[8]

h t t p : / / e n c y k l o p e d i a . p w n . p l ( d o s t ę p 9. 0 8 . 2 0 0 6 ) .

[9]

http://historical.library.coriiell.edu (dostęp 3 1 . 05. 2007).

Zagadnienia kontrolne 1. W y m i e ń a u t o r a i tytuł p i e r w s z e g o p o l s k o j ę z y c z n e g o p o d r ę c z n i k a z m e c h a n i k i i b u ­ dowy maszyn. 2.

C z y m b y ł a „ r e w o l u c j a p r z e m y s ł o w a " , w k t ó r y m w i e k u p r z e b i e g ł a j e j p i e r w s z a faza w Europie?

2. MASZYNY I ICH UKŁADY NAPĘDOWE

WALCARKA, Leonardo da Vinci, Codex Atlanticus, c. 1515

2.1. M a s z y n a Wprowadzenie jednego pojęcia maszyny zamiast wielu funkcjonujących w technice innych pojęć (przyrząd, agregat, aparat, urządzenie) jest konieczne dla jednoznaczności i uporządkowania języka opisu budowy i działania maszyny. Maszyną nazywamy układ powiązanych elementów, z których przynajmniej jeden jest ruchomy, wraz z urządzeniami roboczymi, układami sterowania i zasi­ lania, które połączono w celu przetwarzania, obrabiania, przemieszczania lub pa­ kowania (definicja UE)J Innymi słowy, maszyną nazywamy układ materialny złożony z połączonych elementów, wykonujących określony ruch w celu wyko­ nania pracy w procesie wytwórczym lub przemiany energii, lub przemiany infor­ macji. Maszyny realizują zadania techniczne związane z trzema ogólnymi potrze­ bami ludzkimi: • ułatwienie warunków życia przez zmianę (wytwarzanie i przetwarzanie) materiałów w wyniku: (1) dzielenia, czyli rozdzielania lub oddzielania w wyniku skrawania, krajania (cięcia) i kruszenia; (2) formowania, prze­ kształcania (zmiany: kształtu w stanie stałym, ze stanu płynnego w stały, ze stanu stałego przez plastyczny w stan stały) przez odlewanie, kucie, praso­ wanie, wyciskanie, gięcie, tłoczenie czy ciągnienie, (3) łączenia (wiązania) materiału z materiałem (spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie, powleka­ nie, naparowywanie); • ułatwienie pracy fizycznej przez zmianę ruchów lub sił, czyli przetwarza­ nie energii w przekładniach techniki napędowej, które z punktu widzenia teorii mechanizmów i maszyn można opisać cechami konstrukcyjnymi: (1) przegubów o różnej liczbie stopni swobody (par kinematycznych, czyli

dwóch członów połączonych ze sobą ruchowo) i (2) członów (np. korpusu, wału, koła zębatego, korbowodu), (3) przekładni podstawowych (czworobo­ ku przegubowego) oraz (4) przekładni złożonych (łańcucha kinematycznego, czyli układu członów połączonych za pomocą różnych postępowych, obro­ towych, przegubowych i śrubowych par kinematyczny cli w sposób umożli­ wiający wzajemne mchy członów, lub też mechanizmu, czyli łańcucha jednobieżnego z jednym członem nieruchomym zwanym podstawą lub ostoją, np. mechanizmu korbowego, przekładni zębatej, przekładni pasowej, mecha­ nizmu śrubowego) z przypisaniem funkcji dzielenia, łączenia i prowadzenia przegubów (elementom struktury przekładni) zgodnie z wymaganiami fizy­ kalnymi, to znaczy po określonym torze z określoną charakterystyką ruchu (drogi, prędkości, przyspieszenia, siły lub momenty); •

ułatwienie kontroli przez zmianę (przetwarzanie) informacji (sygnałów o właściwościach przetworzonych materiałów lub energii) w celu zapewnienia (1) bezpieczeństwa maszyny (przez samą maszynę, przez operatora, przez wpływ otoczenia na maszynę i maszyny na otoczenie) ze względu na możliwe zakłócenia (błędy, uszkodzenia, awarie, katastrofy) oraz (2) bezpieczeństwa samego operatora (przed samym sobą, przed maszyną przed otoczeniem).

Maszyny można podzielić na: silniki (do zamiany energii na pracę mechaniczną); maszyny robocze (do zmiany kształtu, stanu lub położenia materiału lub przedmiotu), które z kolei dzielą się na (1) maszyny technologiczne (obra­ biarki, maszyny budowlane i górnicze), (2) maszyny transportowe (pojazdy, dźwignice i przenośniki), (3) maszyny energetyczne (pompy, sprężarki). Maszyny, zespoły i części można traktować jako systemy maszynowe. Przyjmując definicję systemu |„System to ogół uporządkowanych abstrakcyjnych elementów, czyli funkcji, tworów technicznych i właściwości części, które dzięki swym właściwościom są wzajemnie powiązane relacjami i odgraniczone przez swoje otoczenie lub nadsystem Powiązania relacjami przekształceń i sprzężeń wynikają z zależności między atrybutami zewnętrznych wielkości wejściowych i wyjściowych i ich stanów oraz zależności wewnętrznych części lub podsyste­ mów")^! można przeprowadzić analizę systemu „maszyna". System funkcjonuje w pewnym otoczeniu, ma funkcję, strukturę i właściwości oraz może znajdować się w różnych stanach. Pojęcia „system" i „układ" są zazwyczaj traktowane jako synonimy. Według .1. Dietricha [1] transformacja wejść w wyjścia w układzie spełniającym funkcje techniczne (bez wnikania w przyczyny i zjawiska tych prze­ kształceń) pozwala uważać go za system techniczny. Układ jest bowiem abstrak­ cyjnym lub konkretnym zbiorem elementów o zidentyfikowanych własnościach i właściwościach, które pozwalają wyodrębnić go z innych zbiorów (np. ze wzglę­ du na funkcję - układy napędu, smarowania, chłodzenia - lub ze względu na bu­ dowę - układy kinematyczny, nośny). Celem konstruowania jest uzyskanie ukła• •

du, który ma być zmaterializowany, a celem projektowania jest uzyskanie syste­ mu. System „maszyna" istnieje, by możliwe było działanie mające na celu zaspoko­ jenie potrzeby. Działaniu,są poddawane masa M, energia E i informacja I (rys. 2. łb) o określonej ilości, jakości i kosztach w rozumieniu pojęć ogólnych: • dla masy (lub materiału): gazy, płyny, ciała stałe, pyły w różnych fazach prze­ twarzania o określonych właściwościach, a także element konstrukcyjny; • dla energii: mechanicznej, cieplnej, elektrycznej, chemicznej, optycznej czy jądrowej oraz wielkości z nimi związanych - siły, prądu, ciepła, przemieszcze­ nia, prędkości, przyspieszeń; • dla informacji (sygnału): wielkości mierzone, wskazane, sygnały sterujące, dane. Obieg wielkości M, E, I w maszynie pozwala tylko przy znajomości wielkości wejściowych WE (M, E, I) i wyjściowych WY (M, E, I) sformułować zadanie projektowe i funkcje przy nieznanym rozwiązaniu („czarna skrzynka" na rys. 2 . la). b)

a) otoczenie

WY

WE F*

system

•W W

WE + WY Rys. 2 . 1 . System „maszyna" jako czarna skrzynka: a) wejście (WE) i wyjście (WY) systemu; b) wielkości wejściowe M, E, l oraz wyjściowe M , E, I

Z punktu widzenia dominującego rodzaju zachodzących w maszynie prze­ kształceń wielkości wejścia i wyjścia można określić klasy maszyn: • maszyny przekształcające energię (silniki sprężynowe, transformatory, akumu­ latory), • maszyny przekształcające energię i masę (kotły parowe, sprężarki, kruszarki), • maszyny przekształcające energię, masę i informację (obrabiarki), • maszyny przekształcające energię i informację (zespoły automatyki, komputety). Przy projektowaniu lub analizie systemu można rozpatrywać różne aspekty systemowe: proces roboczy, stan roboczy, środki robocze, przestrzeń roboczą i siłę roboczą, a także ich wzajemne oddziaływania (tys. 2.2).

Wielkości w e j ś c i o w e WE

Proces roboczy (operacie)

Stany robocze

Operacja Opi

Malerial

Wielkości wyjściowe WY

Malerial'

> Okolicznoiet U

\Oddziaływania Oi Działania uboczne N

Energia

Informacje

Energia'

Środki robocze

Przestrzeń robocza

Rys. 2.2. Aspekty systemowe

Między systemem a otoczeniem występują, wzajemne działania i oddziaływa­ nia uboczne. Na rysunku 2.3 przedstawiono system „wał przekładni-koło zębate" oraz występujące wielkości wejściowe i wyjściowe działające na otoczenie lub oddziałujące z nim oraz ich podział na istotne i nieistotne dla spełnienia funkcji systemu.

•

wielkości WE i WY decydujące dla funkcji wielkości W E i WY nieistotne dla funkcji

Rys. 2.3. Działania i oddziaływania wielkości wejściowych i wyjściowych na system „wał przekładni-koło zębate" (indeksy: F - wielkości relewantne dla funkcji, N - wielkości nieistotne dla funkcji)

Można wyróżnić geometryczno-materiałowe i funkcjonalne otoczenie rozpa­ trywanego systemu (rys. 2.4).

".' olej Rys. 2 . 4 . Otoczenie systemu: geometryczno-materiałowe (a) i runkcjonalne (b)

Funkcja techniczna jest dla określonego celu własnością systemu, czyli jed­ noznaczną i odtwarzalną zależnością między jego wejściem WE i wyjściem WY. W systemie można wyróżnić funkcję ogólną dla całościowo sformułowanego zadania i funkcje składowe dla zadań częściowych (rys. 2.5). ' a)

funkcja

WE

ogólna

WY

funkcje składowe

WE

i podfunkcje składowe

WE b) Zmiana W E / W Y Rodzaju

Funkcja dotyczy: zmiany/przeksztalcenia

Opis rodzaj, postać zjawiska WE # WY

Wielkości

zmiany

WE < WY lub WE > WY

Liczby

powiązanie

liczba W E > WY lub liczba WE < WY

Miejsca

przewodzenie

miejsce W E = WY lub miejsce W E ± W Y

Czasu

gromadzenie

W E i WY # w czasie

Rys. 2 . 5 . Struktura funkcjonalna i jej opis; a) podział funkcji ogólnej na składowe, b) typowe funkcje ogólnego przeznaczenia

Trafne i zgodne połączenie zbioru funkcji składowych z funkcją ogólną tworzy strukturę funkcjonalną maszyny. Innymi słowy - funkcję ogólną można dekomponować na funkcje składowe, które odpowiadają zadaniom cząstkowym (rys. 2.5a). Inną strukturę podziału tworzą funkcje główne, o bezpośrednim udziale w spełnieniu funkcji ogólnej, a inną funkcje poboczne. Typowe funkcje ogólnego przeznaczenia dotyczą rodzaju, wielkości, liczby, miejsca i czasu (rys. 2.5b). Strukturą systemu (maszyny) jest wewnętrzny i hierarchiczny opis jej budo­ wy, w którym można wyróżnić: elementy funkcjonalne i strukturalne oraz relacje połączeń i uporządkowania (rys. 2.6). Element jest najmniejszą częścią, której z punktu widzenia celu opisu nie warto dalej dzielić. Relacje są wzajemnymi od­ niesieniami elementów struktury (rys. 2.6), zawierającymi uporządkowania (prze­ strzenny efekt w opisie geometrycznych zależności elementów, ich więzi konfigu­ racyjnych powierzchni i ruchów oddziaływania) oraz połączenia (funkcjonalny efekt łączenia ruchowego i spoczynkowego elementów).

STRUKTURA

elementy

funkcja

rodzaje

struktura

połączenie

funkcja

funkcjonalne własności i parametry struktury Rys. 2 . 6 . Struktura systemu „maszyna"

|

|uporządkowanie|

struktura

geometrycznomateriałowe własności i parametry struktury

2.2. Układ n a p ę d o w y m a s z y n y W technice napędowej przy współdziałaniu różnych elementów maszyn i elementów konstrukcji (zespołów) występują złożone zagadnienia przekształca­ nia, formowania, przekazywania i magazynowania energii. Wydaje się, że energe­ tyczne i przestrzenne dopasowanie silnika napędowego do wymagań funkcjo­ nalnych maszyny roboczej oraz lokalne dopasowanie przekazywania, ukształ­ towania i magazynowania energii w dowolnym miejscu struktury maszyny mają największe znaczenie dla spełnienia funkcji technicznej układu napędu. Układ napędowy maszyny spełnia następujące funkcje: (1) przenosi ruch od źródła napędu (silnika napędowego) do członów, (2) przekształca ruch (tab. 2.1) zgodnie z oznaczeniami: R-R, R-T, L-L, L - R (przy oznaczeniach R - ruch rota­ cyjny czyli obrotowy, T - ruch translacyjny czyli prostoliniowy) oraz (3) wzmac­ nia lub osłabia moment obrotowy lub siłę wywierane przez silnik napędowy, J | Rozpatrując najprostszy układ napędowy (silnik S, sprzęgło Sp, maszyna robo­ cza M - rys. 2.7a), można zauważyć, że najważniejsze znaczenie dla dopasowania silnika ma obciążenie maszyny roboczej, to znaczy zewnętrzne obciążenie uży­ teczne, wynikające z realizowanego procesu roboczego, oraz wewnętrzne obcią­ żenie, wynikające z dynamiki niestacjonarnego ruchu przy rozruchu czy hamowa­ niu, nawet bez obciążenia. Elementy S, Sp, M tego układu są połączone sztywno łub podatnie. W bardziej złożonych przypadkach układów napędowych (rys. 2.1b^e) występują przekładnie P między maszyną roboczą M a sprzęgłem Sp. Służą one do przetwarzania energii, to znaczy dopasowania wartości momentu obrotowego silnika T i prędkości obrotowej n do wymaganych parametrów T i « M maszyny roboczej, czasem przy zmianie postaci ruchu. W tych układach stosu­ je się różne sprzęgła przenoszące moment obrotowy między łączonymi wałami. Połączenia wałów w tych sprzęgłach mogą być wykonywane w różny sposób, zależnie od potrzeb miejscowego dopasowania przepływu energii w układzie (np. na tys. 2.7b, c, e przedstawiono połączenia sprzęgła Sp: sztywne, samonastawne, podatne oraz sterowane do łączenia lub rozłączania napędu w ruchu, lub też do nadania jednokierunkowości ruchu, zabezpieczenia przed przeciążeniem, a na tys. 2.7b - hamulec H służący do zahamowania wału lub sterowania jego prędkością). Uporządkowanie przestrzenne rozmieszczenia silnika, sprzęgła i przekładni może być współśrodkowe (tys. 2.7a, b, e) lub mimośrodowe (na, rys. 2.7c przy wielo­ stopniowej przekładni walcowej i na rysunku 2.7d przy przekładni pasowej). W celu miejscowego dopasowania przepływu energii stosuje się też kota zama­ chowe Z w układzie napędowym (tys. 2.7d, e). s

s

M

Tabela 2 . 1 . Przekładnia j a k o mechaniczny przetwornik wielkości m c h o w y c h i siłowych energii Wielkości we jściowe

Wielkości wyjściowe 7

Typ

-A) s

Schemat

Z

^

W

s

Wi slkości sta Jednakowe drogi p o łuku: ę

R-T R-T śruba-nakrętka zębnik-zębatka

R-R zębata walcowa

T y - ^ ^ - ^ ź

n

h - po zróżniczkowaniu względem czasu: C7

(p

2

z

L

co, '

=^ -co z,

l

- moce: N = N • r\ —> 7, • a>, = 7, • w, • ?7, 7 = — • 7, • n 2

x

t

xi =r -ę , i

r

2

«

czyli: y = r, - ca,

i

2

7 F =~-n '1

SR

N

= JV, ->7

x

- r•

2

'

r-

2

N

ri

2

2

X2 = r - t g a p , ,

= TV, • 7 7 , czyli

2

czyli

F =T '-„ 1

=

1

=T

)

r

v

77777

© Fi

2

r • tgarft),;

F^y^T^co.-T]

rtgar

2

,, N.n

•

t

g

a

,.= tg(a + p )

W, F, xi F x, => n = — - = — — = — - — n, f, ; f , x, 2

(=0 ^

/

v =

^2

a

T l

F , v = 7, •&), •?? , c z y h

tga•