Gépelemek 1.

A TANTÁRGY CÉLJA, MÓDSZEREI

Gépelemek 1.

Műszaki alkotások

Gépelemek 1.

Gép, gépelemek

A gépek, az összetett szerkezetek különböző absztrakciós

szintű elemzése során viszonylag kis számú típusba sorolható

építőelemhez, gépelemhez jutottunk.

A gépelemek a funkció, az azt megvalósító működési elvek és

a kialakítás azonossága vagy hasonlósága alapján

csoportosíthatók és tárgyalhatók.

A gépelemek lehetnek tényleges elemek (csapszeg, tengely,

rugó stb.) vagy több, összetartozó építőelemből álló szerelt,

működő egységek (csavarorsó-anya, csapágy,

tengelykapcsoló stb.).

Gép: A gép olyan eszköz, amely munka végzésére vagyenergia

átalakítására szolgál és működése mechanikai elvre vezethető

vissza. (Mechanikai mozgás nélkül nem beszélhetünk gépről.)

Gépelemek 1.

A gépelemek alaptípusai

− kötések: erővel, alakkal, anyaggal záróak;

funkciói: erő és/vagy nyomaték vezetése;

− térképzés elemei: csövek, szerelvények, nyomástartó edények,

tömítések,

funkciói: közegek elhatárolás a környezettől, azok szállítása,

áramlásuk szabályozása, stb.

− rugók, rugórendszerek: különféle fém és gumirugók (polimer rugók);

funkciói: energiatárolás, csillapítás, dinamikai rendszerek

hangolása, stb.

− ágyazások: sikló- és gördülőcsapágyak és csapágyazások;

funkciói: erőátadás mozgás mellett;

− hajtások, hajtásrendszerek: tengelyek, tengelykapcsolók, fogazott

elemek, szíjak, láncok, dörzshajtások,

funkciói: teljesítmény (nyomaték) vezetése, átalakítása.

Gépelemek 1.

Gépelemek 1.

Gépelemek 1.

A mérnök feladata

A mérnökök feladata, hogy megtalálják egy műszaki

alkotás, egy műszaki probléma megoldását, és azt a

lehetőségek adott határain belül:

– az anyag,

– a szerkezeti kialakítás,

– a gyártástechnológia,

– az ember-termék kapcsolat minősége,

– a ráfordítás (költség és idő)

szempontjából optimálják.

Gépelemek 1.

A tervező / fejlesztő munkája

A feladat: − nem determinisztikus,

− sokoldalú és átfogó tevékenység,

− alapját egy sor tudományág adja,matematika, mechanika, anyagtan, technológia,

áramlástan, hőtan, gazdaságtan, stb.

− és mind jobban felhasználja az ergonómia, az esztétika, a formatervezés, a

marketing, és más határ-társadalomtudományok

ismereteit

Gépelemek 1.

A tervezésmódszertan két lehetséges útja

Gépelemek 1.

A tervező feladata

A mérnök tevékenysége többszörös kölcsönhatásban van

a társadalom tagjaival, egy rendszer részeként dolgozik.

Munkáját – a műszaki-tudományos szempontok mellett –

vezérli:

• a minőség (Q),

• a költségek,

• a (határ)idő.

Gépelemek 1.

A tervező helye egy minőségirányítási rendszerben

Minőségirányítási rendszerek:

• ISO 9000,

•TS 16949,

Környezetközpontú irányítási

rendszer:

• ISO 14000.

és mások.

Gépelemek 1.

Ráfordítások (költség, idő)

Különféle gyártási eljárások költségeinek összevetése a gyártandó

darabszám függvényében.

A választandó gyártási eljárást a gyártandó darabszám döntse el!

Gépelemek 1.

A tervezés/fejlesztés egy folyamat

A tervezés/szerkesztés/fejlesztés egy folyamat, egy

technológia. Kell:

• erőforrás: az ember kreatív tudása és segítője a

számítógép;

• módszer: pl. CAD, CAE, VEM, FMEA, stb.

Belátható: a bővülő ismeretkörök „lefedés”-ét a

csoportmunka formája teszi lehetővé. Leghelyesebb, ha a

feladatmegoldásban érdekelt összes szakembert „egy

asztalhoz” ültetjük.

Gépelemek 1.

A csoportmunka

Meg kell ismerni a

csoportmunka:

• módszertanát (pl.

ötletelés, NCM, 8D,

QFD, DFMEA, stb.)

• etikáját.

Gépelemek 1.

A tervező „hármas” feladata

A tervező/fejlesztő kezdetben három ismeretlennel

szembesül. Ezek:

• a szerkezeti elem terhelése,

• az igénybevételi és a határállapota, valamint

• a geometriai kialakítása, a mérete.

Gépelemek 1.

A tervező feladatai

A tervező első feladata: a méretezés/ellenőrzés alapjául

szolgáló terhelések meghatározása.

Terhelés alatt mindazokat a külső hatásokat értjük, amelyek

hatással vannak a szerkezeti elem működésére, élettartamára,

használhatóságára.

Feladat: a terhelés-modell megalkotása.

Alapok: terhelésanalízis elmélete és gyakorlata.

A mérnök általában egy adott élettartamra tervezi

berendezéseit, ezért számára a terhelés, mint

időfüggvény a legfontosabb.

Gépelemek 1.

Különböző időfüggő terhelésmodellek

M(t)

t

M(t)Terhelés mint idõfüggv.

Idõbenváltozó

Idõbenállandó

t

M(t)

t

M(t)

M(t)

t

M(t)

t

M(t)

FolyamatosanVáltozó

Szakaszosanváltozó

Változó ampl.Állandó

amplitúdó

Rendszertelen Rendszerezett

Stacionér

Instacionér

Alkalmazási példa

-tengelyre húzott gyűrű,

-olvasólámpa,

-csavarkötések,

-szakaszosan üzemelő axiális járókerék,

-görgők,

-fogaskerekek.

-programozott, kísérleti alkatrészfárasztás

-valóságos terhelés,

[Matolcsy Mátyás nyomán]

Gépelemek 1.

A tervező feladatai

A tervező második feladata: a szerkezet helyes működése

szempontjából még megengedhető hatások és

igénybevételi állapotok határainak feltárása.

Röviden: az igénybevételi és a határállapotok feltárása

Előre fel kell ismerni a meghibásodási, a tönkremeneteli

lehetőségeket!

Módszere pl.: DFMEA (Design Failure Mode and Effect

Analysis)

Gépelemek 1.

Tönkremenetel, meghibásodás okai

Okok lehetnek:

• a terhelés alatt elmozduló felületeken fellépő súrlódáshatása (pl.: melegedés, kopás, berágódás),

• hőmérsékletmező hatása (pl.: anyagtulajdonság változás, hőtágulás, hőfeszültségek),

• meg nem engedhető mozgás ( pl.: rezgés, lengés),

• különféle közegek, sugárzások hatásai (pl.: korrózió, duzzadás, öregedés, anyagtulajdonság-változás),

• villamos, optikai, egyéb tulajdonságok változása,

• biológiai károsodás,

• stb.

Gépelemek 1.

A tönkremeneteli folyamat

A tönkremeneteli folyamatok elvezethetnek:

• a használati érték csökkenéséhez,

• szükségessé váló felújításhoz, karbantartáshoz,

• a legveszélyesebb módhoz, a töréshez.

A törés kapcsolatban van az elem feszültségi- és alakváltozási (rugalmas, képlékeny, kúszási, relaxációs, stb.) állapotával.

Megjegyzés: további tárgyalásunkban elsősorban a rugalmasságtan egyszerű anyagmodelljét, a Hooke-törvényt, mint anyagtörvényt fogjuk alkalmazni, de esetenként kitekintünk a rugalmas-képlékeny határállapotra, mint a teherbírási tartalékok feltárására alkalmas modellre illetve a törésmechanika tanításaira is.

Gépelemek 1.

A tervező feladatai

A tervezőmérnök harmadik feladata: a méretezés.

Ennek során megtervezi a szerkezeti elem geometriai

kialakítását, méretét oly módon, hogy az általa már

meghatározott terhelésből kiindulva számítja az

igénybevételi állapotot, és ezt összevetve az általa előírt

határállapottal megállapítja, hogy az elem biztonsága

(megbízhatósága) megfelelő-e.

A határállapot jelenthet használatra való alkalmatlanságot is.

Pl. kívánatosnál nagyobb alakváltozás, kihajlás, horpadás, kopás, stb.

határállapotot jellemző értékbiztonság(tényező)=

igénybevételi állapotot jellemző érték

Gépelemek 1.

A tervező feladatai

Napjaink jellemzője: a valóságot egyre jobban megközelítő

modellalkotási és méretezési/ellenőrzési eljárások, ill.

elméletek.

Pl.: • halmozódó károsodások elmélete,

• üzemi szilárdság fogalma,

• matematikai statisztikai megközelítések, pl. adott

meghibásodási, tönkremeneteli (túlélési)

valószínűségre való méretezés,

• törésmechanikai méretezés, ellenőrzés,

• rugalmas-képlékeny határállapotra való ellenőrzés,

• és egyéb, további elméletek, módszerek.

Gépelemek 1.

ANYAG- ÉS GYÁRTÁSHELYES ALKARTÉSZTERVEZÉS ALAPJAI

Gépelemek 1.

Gyártáshelyes alkatrésztervezés elvei és módszerei

Gyártáshelyesnek az a működési követelményeknek

megfelelő termék tekinthető, amely az adott vállalati

körülmények között és adott gyártási mennyiség

esetén a legkisebb gyártási költséggel állítható elő.

Gépelemek 1.

Tervezői feladatok

Tervezői feladat: a követelmények ismeretében az

alkatrész anyagának kiválasztása.

A szerkezeti anyagok közül választhat:

− öntöttvas,

− acél,

− alumínium,

− bronz,

− polimer,

− üveg, porcelán,

− kerámia,

− fa, papír stb.

Első közelítésben: a fizikai-mechanikai tulajdonságok

nagyságrendi különbségei vezethetik gondolatainkat.

Gépelemek 1.

Szerkezeti anyagok tulajdonságai

Fordítsuk figyelmünket:

− a mechanikai,

− a termikus,

− a villamos,

− az optikai,

− a tribológiai,

− az egyéb, specifikus tulajdonságokra.

A tervező feladata: kihasználni a előnyös tulajdonságokat

és csökkenteni a hátrányosak káros hatásait!

Gépelemek 1.

Példa fémek és polimerek összehasonlítására

A polimer tulajdonságok nagyságrendjei a

fémekéhez képest:

Mechanikai tulajdonságok:

− sűrűség (ρ): kb. 1/7-e,

− rug. modulus (E): 1/10-e,

− húzószilárdság (σB): 1/10-e,

− fajlagos nyúlás (ε): 10-20-szor

nagyobb,

− csillapítóképesség (tgδ): 10-szer

nagyobb,

Termikus tulajdonságok:

− tartós üzemi hőmérséklet: <100 oC,

− hőtágulási együttható (α): 5-10-

szer nagyobb,

− hővezetési tényező (λ): 100-200-

szor rosszabb

− fajlagos hőkapacitás (cp): 2-3-szor

nagyobb.

Gépelemek 1.

A polimer tulajdonságok nagyságrendjei a

fémekéhez képest:

Tribológiai tulajdonságok:

− kis súrlódási tényezők; (fontos μ0<μ(v) ),

− jó beágyazó-képesség,

− jó szükségfutási-képesség.

Példa fémek és polimerek összehasonlítására

Villamos tulajdonságok:

− fajlagos ellenállás(ρ): a

szigetelő anyagok

nagyságrendjében,

− relatív dielektromos állandó(ε):

kondenzátor anyagok

nagyságrendjében.

Optikai tulajdonságok (üveghez

képest):

− nagyobb törőszilárdság,

− kisebb sűrűség és felületi

karcállóság,

− jó törésmutatók; jó fényáteresztő

képesség.

Gépelemek 1.

Gyártáshelyes alkatrésztervezés elvei és módszerei

Egy alkatrész geometriai kialakításának szabályait mindig

az adott gyártási folyamat elemzésével, az eljárás

lehetőségeit ill. korlátait figyelembe véve kell megalkotni.

Gépelemek 1.

Alkatrésztervezési elvek, módszerek vas- és acélöntvényeknél

A különféle öntési eljárások előnyei:

− az öntés a legrövidebb út a nyersanyagtól a késztermékig,

− több különálló darab helyett egyetlen öntvény, integrált

szerkezeti elem készíthető,

− az előállítható darabok tömege a néhány grammtól több

tonnáig változhat,

− kisebbek a megmunkálási költségek, mintha tömör anyagból

gyártanánk,

− tetszetős, formatervezett, un. szoborfelületek is gyárthatók.

Gépelemek 1.

Vasöntvények néhány előnyös tulajdonsága:

– külső bemetszésekkel szemben kis érzékenység,

– jó rezgéscsillapító,

– jó kopásálló,

– könnyen megmunkálható,

– nyomást jobban viseli, mint a húzást.

Acélöntvények (ötvözetlen; gyengén- ill. különféle módon ötvözöttek):

– lehet jó hőálló,

– korrózióálló,

– stb.

Alkatrésztervezési elvek, módszerek vas- és acélöntvényeknél

Gépelemek 1.

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Mintagyártás

− egyszerű geo.

formák,

− egyszerű

gyártás,

− osztatlan

modell,

lehetőleg mag

nélkül,

− egyszerű, jól

támasztható

magok.

− 1:20…1:50

formázási

ferdeség,

− alámetszések

elkerülése,

− átmenetek jó

lekerekítése.

− a falvastagság

ne változzon

ugrásszerűen,

− a falvastagság a

felöntés felé

növekedjen,

(ellenőrző körök

módszere), a

szívódások

megelőzésére.

− a dermedést

irányítani,

− anyaghalmozódást

kerülni (lunker),

− ugrásszerű

falvastagság-

változást kerülni

(repedésveszély),

− szimmetrikus

részletekre

törekedni

(sajátfeszültség és

torzulás

elkerülése)

Formázás ill.

modell kiemelése

Az anyag öntése

(folyási tul.)

Dermedés és

lehűlés (zsugorodás)

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Példa: a mintagyártás követelményeinek teljesítésére

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Példa: a formázás ill. a modell kiemelése követelmények

teljesítésére

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Példa: az anyag öntése követelmény teljesítésére

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Falvastagság becslése az öntvényméretek alapján

L – az öntvény

hossza [m]

B – az öntvény

szélessége [m]

H – az öntvény

magassága [m]

[The International Meehanite

Metal Co. Ltd. nyomán]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10

Fa

lva

sta

gs

ág

[m

m]

Gépelemek 1.

Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára

Példa: a dermedés és lehűlés követelmény teljesítésére

Gépelemek 1.

Öntött alkatrészek kialakítási irányelvei (példák)

Pahl - Beitz: A géptervezés

elmélete és gyakorlata,

Műszaki Könyvkiadó, 1989.

Gépelemek 1.

Hidegfolyatással készült elemek kialakítási irányelvei (példák)

Gépelemek 1.

Hajlított munkadarabok tervezési szabályai (példák)

Gépelemek 1.

Szerelést egyszerűsítő kialakítás irányelvei (példák)

Gépelemek 1.

Képek forrása:

• Tóth S. – Bisztray S. – Molnár L. – Marosfalvi J.: Gépelemek I., Műegyetemi Kiadó

2007., 45080

• G. Pahl – W. Beitz: A géptervezés elmélete és gyakorlata, Műszaki könyvkiadó,

Budapest, 1981.