Katedra konstruování strojů Fakulta strojní Konstruování KKS/KS doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D. 5 Základní technické principy pro konstrukci TS stroje a zařízení Podklady k přednáškám Kapitola 5 prof. Ing. Stanislav Hosnedl, CSc. Plzeň, 2016 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0206 Inovace výuky podpořená praxí.
KONSTRUOVÁNÍ PRO ÚPLNOST POTŘEBNÉ DŮLEŽITÉ 5 Základní technické principy pro konstrukci TS stroje a zařízení Docílení potřebných transformačních účinků TS Strojní části jako stavební orgány TS S. Hosnedl 2
ÚČEL A CÍL TS Účel TS: Poskytování účinků (mechanických, tepelných apod.) (na úrovni komplexnosti TS III. a IV.), příp. podíl na poskytování těchto účinků (na úrovni komplexnosti TS I. a II.), které spolu s účinky člověka a aktivního a reaktivního okolí docílí požadovanou umělou přeměnu daného (M, E, I, L) objektu (obecně operandu ) Cíl TS: Jednoznačná ( statisticky kauzální ) přeměna vstupních stavů veličin (na základě fyzikálních, chemických nebo biologických zákonitostí! (viz obr.): materiál (M Inp ), energie (E Inp ), informace (I Inp ) na požadované fyzikální účinky (spojení, držení, přenesení, přeměnění, apod.) výst. stavů těchto veličin: materiál (M Outp ), energie (E Outp ), informací (I Outp ) pomocí vnitřních transformací. Tato schopnost TS je základní vlastností TS, kterou budeme označovat jako transformační funkce TS. 11.03.2016 S. Hosnedl 3
POTŘEBNÉ STUPNĚ KOMPLEXNOSTI TS A STROJNÍCH ČÁSTÍ Technické produkty (TS) lze roztřídit do čtyř stupňů komplexnosti (I. IV.) podle počtu jejich hierarchických úrovní (obr. 1.1 1). Strojní části TS se vyskytují na úrovních komplexnosti I. a II. Stupeň komplexnosti TS Technický systém (TS) Charakteristika TS Příklady TS Oblast strojních částí TS I. Díl, součást Element (stavební struktury) TS ( odst. 1.5) bez montážních operací čep, ložiskové pouzdro, pružina, podložka II. Stavební skupina, mechanismus, podskupina Jednoduchý TS, který se skládá z dílů a může vykonávat jednoduché dílčí funkce převodovka, hydraulický válec, vřeteník ano III. Stroj, přístroj, aparát TS, který se skládá ze skupin a dílů a vykonává určité finalizující ucelené funkce soustruh, automobil, elektromotor IV. Strojní zařízení, strojní komplex Komplexní TS složený ze strojů, skupin a dílů s rozdílnými úkoly, které však mají komplexní funkční a prostorovou jednotu kalicí linka, obráběcí linka, továrna na výrobu cementu, elektrická rozvodná síť ne Obr. Stupně komplexnosti TS s vymezením oblasti, do níž spadají strojní části TS (nižší stupně komplexnosti jsou obecně obsaženy ve vyšších) S. Hosnedl 4
VYMEZENÍ POJMU STROJNÍ ČÁSTI TS (1): DŮLEŽITÉ Pod pojmem strojní části se rozumí opakovaně se vyskytující funkčně ucelené části (širší význam než pouze součásti!!!) stavební orgány finální montážní, tj. stavební struktury (odst. 1.5) TS (tj. nejen strojů!!!) : - v případě, že se strojní části vyskytují obecně u všech TS, budeme je označovat jako obecné strojní části (např. obecná šroubová spojení, apod.). - v případě, že se některé strojní části vyskytují opakovaně jen u určité speciální třídy TS, budeme je označovat jako speciální strojní části (např. potrubních systémů, pístových motorů, apod.) Akreditovaný název předmětu Části a mechanismy strojů - ČMS i další používané příbuzné modifikace (např. Části strojů, Části strojů a převody, Strojní součásti apod.) nejsou přesné nebo jsou i významově nelogické. Např. z názvu Části a mechanismy strojů ČMS vyplývá, že mechanismy strojů (tj. převody, převodovky, atd.), už nepatří mezi části strojů, z názvu Části strojů pak vyplývá, že šroubová, nýtová, svarová, lepená a další spojení se mohou vyskytovat jen na strojích, atd., atd.)! Tyto a další nesrovnalosti zřejmě vznikly historickým vývojem, příp. i nepřesnými překlady z němčiny Maschinenelemente, příp. z angličtiny Machine Elements, jejichž přesný překlad zní v obou případech: Strojové, tj. strojní části (což byl i jeden z historicky prvých názvů pro tuto oblast v českém jazyce: Části strojové ). Podle obr. 1.1-1. z toho vyplývá, že teoreticky správné označení by mělo být: Strojní části technických produktů/systémů, které proto budeme používat i nadále. 04.03.2015 S. Hosnedl 5
VYMEZENÍ POJMU STROJNÍ ČÁSTI TS (2): DŮLEŽITÉ Vymezení pojmu strojní části TS jako obsahu předmětu ČMS (2): Obecné i speciální strojní části (tj. funkčně ucelené části TS) nezahrnují jen opakovaně se vyskytující montážní díly a skupiny TS I. a II. st. komplexnosti (obr. 1.1-1) s fyzickými hranicemi, jak se velmi často chybně uvádí. V řadě případů zahrnují i další funkčně ucelené oblasti TS v okolí styků mezi jednotlivými fyzickými díly a skupinami TS (s funkcí spojení, uložení, převodu, apod.). Na rozdíl od TS I. a II. st. komplexnosti je však část ohraničení těchto překryvných SČ vymezena pouze umělou/myšlenou hranicí (vymezenou oblastí funkčnosti příslušné strojní části)!!! Poznámky: - Překryvné strojní části nemohu existovat jako reálné fyzické celky (skládají se z uměle ohraničených částí ostatních součástí TS), při konstruování je však s nimi nutné pracovat, protože uskutečňují požadované vnitřní transformační funkce, kterým odpovídají zvolené orgány (nositele těchto funkcí) TS. - Reálné fyzické i myšlené překryvné strojní části TS tudíž představují konstrukční realizaci funkcí a orgánů TS. Pro rozlišení od abstraktních funkcí a orgánů TS lze strojní části v tomto smyslu nazývat jako stavební orgány TS. - Pokud jsou strojní části TS montážním (fyzickým) celkem (ložisko, spojka) jsou často označovány jako komponenty (obvykle konstruované a vyráběné na prodej) - Strojní části (TS) mohou mít různou hierarchickou úroveň, tzn. určitá strojní část (tj. funkčně ucelená fyzická nebo myšlená část vyskytující se u TS opakovaně) může obsahovat další (opakovaně se vyskytující hierarchicky nižší) strojní části TS a naopak může být obsažena v dalších (opakovaně se vyskytující hierarchicky vyšších) strojních částech TS. V literatuře i v praxi došlo přirozeným vývojem k soustředění na určité funkčně významné strojní části, což je promítnuto i do těchto textů. - Při konstruování se pracuje i s funkčně ucelenými (fyzicky ohraničenými i překryvnými) částmi TS (stavebními orgány), které se neopakují. Ty se obvykle označují jako konstrukční skupiny, uzly, apod.! Práce s nimi je zcela analogická jako s opakovaně se vyskytujícími strojními částmi, jen pro ně neexistují ustálená typová provedení ( mastery ). S. Hosnedl 6
TS, STROJNÍ ČÁSTI A TRANSFORMAČNÍ PROCESY (1) M Inp, E Inp, I Inp E 1 (M 1, n 1 ) TS TECHNICKÝ SYSTÉM E 1 (M 2, n 2 ) Účinky ČLOVĚKA Účinky TS M Out, E Out, I Out Účinky ost. operátorů OPERAND ve vst. stavu Inp TRANSFORMAČNÍ PROCES (TRANSFORMACE) S TECHNOLOGIÍ (Tg) OPERAND ve výst. stavu Out Obr. Příklad vnitřních transformací ve strojní části technického systému (TS) podílejícího se na poskytování účinků Operátoru TS pro požadovanou umělou přeměnu Operandu v transformačním procesu 11.03.2016 S. Hosnedl 7
TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (1) Základní kritérium pro roztřídění (taxonomii) strojních částí: Pro základní rozčlenění strojních částí TS je použito jako kritérium shoda, příp. příbuznost podle hlavní transformační funkce příslušné třídy strojních částí TS zabezpečovaná navenek (pro vnější TrfP) při provozu TS. Poznámky: - Pro uspořádání poznatků byla v těchto textech využita Teorie technických systémů, jejíž vybrané základní poznatky byly uvedeny v předchozích odstavcích. Teorie technických systémů je základem pro Engineering Design Science and Methodology EDSM [Hubka&Eder 1996, Eder&Hosnedl 2008 a mnoho dalších]. - Přínos je v jasném a jednoznačném přehledu o úloze (tj. transformační funkci) jednotlivých významných, funkčně ucelených a v praxi zavedených strojních částí TS jako stavebních orgánů pro TS vyšší komplexnosti. - Dílčí nevýhodou je začleňování strojních částí TS (obvykle elementárních stavebních dílů/součástí), které mají z hlediska TS jen elementární transformační funkci (např. šrouby přenést zatížení ze závitu do dosedací plochy hlavy šroubu; podložky - přenést zatížení z jedné její dosedací plochy na opačnou; apod.). To lze vyřešit buď jejich teoreticky důsledným (avšak nepřehledným a nepraktickým) zařazením do samostatných odstavců v příslušných funkčně orientovaných částí B, C, D (např. zmíněných šroubů a podložek do Přenosových částí, což je však pro praktické využití nevhodné. Praktičtější (i když teoreticky nesprávné) je jejich přičleněním k těm prakticky významným, funkčně uceleným a zavedeným strojním částem, u nichž se převážně používají (např. šrouby, matice, podložky a závlačky ke šroubovým spojům, hřídelovém KM matice k valivým uložením, apod.), což bylo použito i v předložených textech. 11.03.2016 S. Hosnedl 8
TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (2) Kritéria třídění pro hierarchicky nižší stupně členění strojních částí TS: Pro strojní části se shodnou hlavní transformační funkcí je vhodným třídicím kritériem dominantní (technický/fyzikální) pracovní princip a (konkretizovaný) pracovní způsob (které odpovídají na otázku jak to funguje? ). To charakterizuje, jak je realizována transformace aktivních nebo reaktivních vstupů strojní části na výstupy v jejím vnitřním transformačním procesu (ITrfP). Takto příbuzné skupiny a podskupiny strojních částí mají analogické vlastnosti, analogicky se navrhují a hodnotí, což přináší řadu výhod při zpracování poznatků a metod pro jejich konstruování i výhod při jejich vlastním konstruování. S. Hosnedl 9
POTŘEBNÉ TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (3) SPOJE Spoje s jednoduchými tvarovými elementy pro přenos zatížení Spoje čepy (čepové spoje) Spoje kolíky (kolíkové spoje) Spoje pery a klíny (spoje na pera a klíny) Spoje drážkami (drážkové spoje) Spoje polygony (polygonové spoje) Spoje s využitím tření pro přenos zatížení Spoje nalisováním (nalisované spoje) Spoje sevřením (svěrné spoje) Spoje upínacími (rozpěrnými) kroužky Spoje s využitím materiálu pro přenos zatížení Spoje materiálovými styky a přechody Spoje svary (svarové spoje) Spoje pájkou (pájené spoje) Spoje lepidlem (lepené spoje) Spoje s využitím předepjatých elementů pro přenos zatížení Spoje šrouby a závity (šroubové a závitové spoje) Spoje zděřemi (zděřové spoje) S. Hosnedl 10
POTŘEBNÉ TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (4) PŘENOSOVÉ ČÁSTI Tuhé přenosové části Rotační přenosové části (hřídele, osy apod.) Nerotační přenosové části (nosníky, páky, táhla apod.) Ohebné přenosové části Ohebné rotační přenosové části (bowdeny, lana, struny, vlákna apod.) Ohebné nerotační přenosové části (řetězy, pásy, apod.) OTOČNÁ ULOŽENÍ Otočná uložení s valivým dotykem Uložení s valivými ložisky Otočná uložení s plošným dotykem Uložení s hydrodynamickými ložisky Uložení s hydrostatickými a aerostatickými ložisky Uložení s málomaznými a bezmaznými ložisky S. Hosnedl 11
POTŘEBNÉ TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (5) AKUMULÁTORY (MECHANICKÉ) ENERGIE Akumulátory energie s využitím deformace materiálu Charakteristika (znakové konstrukční vlastnosti) Pružiny na principu poddajných tvarů Pružiny na principu poddajných materiálů - pružiny pryžové S. Hosnedl 12
POTŘEBNÉ TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (6) HŘÍDELOVÉ SPOJKY Mechanické spojky nerozpojované Spojky (nepružné) pevné Spojky (nepružné) vyrovnávací Spojky pružné Mechanické spojky ovládané Základní poznatky Spojky výsuvné zubové Spojky výsuvné třecí Mechanické spojky automatické Spojky pojistné Spojky rozběhové Spojky volnoběžné S. Hosnedl 13
TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (7) PŘEVODOVÉ MECHANISMY - JEDNODUCHÉ PŘEVODOVÉ MECHANISMY (PŘEVODY) Převody tříčlenné s přímou vazbou s využitím tvarových elementů Základní poznatky Válcová (čelní) soukolí Kuželová soukolí Šroubová soukolí Šneková soukolí Převod pohybový šroub pohybová matice Převody tříčlenné s přímou vazbou s využitím tření Třecí převody Převody čtyřčlenné s nepřímou vazbou s využitím tvarových elementů Řetězové převody Převody čtyřčlenné s nepřímou vazbou s využitím tření Řemenové převody Lanové převody S. Hosnedl 14
TAXONOMIE STROJNÍCH ČÁSTÍ (8) Převody tříčlenné s přímou vazbou s využitím tření Třecí převody Převody čtyřčlenné s nepřímou vazbou s využitím tvarových elementů Řetězové převody Převody čtyřčlenné s nepřímou vazbou s využitím tření Řemenové převody Lanové převody - SLOŽENÉ PŘEVODOVÉ MECHANISMY (PŘEVODOVKY) Převodovky se stálým převodovým poměrem Převodovky s plynule měnitelným převodem (variátory) S. Hosnedl 15
STRUKTURA POZNATKŮ O PŘÍBUZNÝCH STROJNÍCH ČÁSTECH (1) Charakteristika (znakové konstrukční vlastnosti): Základní znakové konstrukční vlastnosti dané třídy strojních částí, příp. jejích dalších podtříd: - Hlavní (transformační) funkce pro vnější transformační proces (TrfP) - Základní funkční/pracovní princip vnitřního transformačního procesu (ITrfP) v TS a způsob jeho realizace Stavební struktura (definiční (elementární) konstrukční vlastnosti): Typická provedení dané třídy strojních částí, příp. jejích dalších podtříd zobrazená a popsaná pomocí definičních konstrukčních vlastností, což jsou: Pro stavební strukturu: - stavební prvky - uspořádání stavebních prvků Pro její stavební prvky: - tvary - rozměry - druhy materiálu - způsoby výroby - stavy povrchu -odchylky od jmenovitých hodnot (tj. ve fázi konstruování - tolerance) Všechny uvedené elementární konstrukční vlastnosti je nutné definovat/popsat ve všech uvažovaných provozních polohách/stavech uspořádání a ve volném i zamontovaném stavu. S. Hosnedl 16
STRUKTURA POZNATKŮ O PŘÍBUZNÝCH STROJNÍCH ČÁSTECH (2) Vlastnosti (reflektované vlastnosti): Základní reflektivní (dříve vnější ) vlastnosti dané třídy strojních částí, příp. jejích dalších podtříd pro celý životní cyklus zjednodušeně roztříděné do svých tří kritických oblastí: KOMPLEXNÍ ( CELOŽIVOTNÍ ) KVALITA, zejména: - Vlastnosti pro provoz, údržbu, opravy - Vlastnosti pro výrobu, montáž, demontáž - Ostatní specifické užitné vlastnosti ČASOVÁ ( TERMÍNOVÁ ) NÁROČNOST, zejména: - Relativní trvání procesů životního cyklu (vznik, existence a likvidace) EKONOMICKÁ ( NÁKLADOVÁ ) NÁROČNOST, zejména: - Relativní náklady na procesy životního cyklu (vznik, existence a likvidace) Poznámka: - Pozor, uvedené roztřídění vlastností TS na komplexní (celoživotní) kvalitu, časovou ( termínovou ) náročnost a ekonomickou ( nákladovou ) náročnost neodpovídá a ani nemůže odpovídat roztřídění vlastností TS při hodnocení konstrukční konkurenceschopnosti TS. Při hodnocení (predikované, příp. reálné) konstrukční konkurenceschopnosti TS je totiž nutné konkurenceschopnost obecně vztáhnout k určitému konkrétnímu místu v životním cyklu TS a rozlišit na vlastnosti TS vynaložené a docílené před (které se promítnou do vynaložených nákladů a docíleného termínu ) a vlastností TS po (které se promítnou do docílené komplexní užitné kvality, a to i včetně ekonomických a časových vlastností, které také významně ovlivňují komplexní užitnou kvalitu, kterou získá(vá) zákazník), což zde v obecném případě není možné. 22.02.2015 S. Hosnedl 17
STRUKTURA POZNATKŮ O PŘÍBUZNÝCH STROJNÍCH ČÁSTECH (3) Poznatky pro návrh a hodnocení (DfX a PoX): Poznatky pro docílení požadovaných a predikci dosažených reflektivních (dříve vnějších ) a reaktivních (obecných konstrukčních) vlastností, zejména pro:. - únosnost a pevnost, příp. posunutí a natočení od deformací při provozu - montáž, provoz a demontáž - ostatní specifická hlediska životního cyklu TS zejména se zaměřením na vztah k člověku a okolí S. Hosnedl 18
LITERATURA KONSTRUOVÁNÍ KKS/KS [Eder&Hosnedl 2008] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Design Engineering, A Manual for Enhanced Creativity. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008, 588 s., ISBN 978-1-4200-4765-3 [Eder&Hosnedl 2010] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Introduction to Design Engineering: Systematic Creativity and Management. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010, 432 s., ISBN: 978-0-415-55557-9 [Hosnedl 2014] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2014. 208 s. ISBN 978-80-261-0125-3 (elektronická verze). [Hosnedl&al 2012] Hosnedl, S., Dvořák J. a Kopecký M.: Konstrukční a designérský návrh nemocničního lůžka pro intenzivní péči Case study. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2012. 60 s. ISBN 978-80-261-0135-2 (elektronická verze). [Hubka 1995] Hubka, V.: Konstrukční nauka, z Engineering Design (Zürich: Heurista, 1992) přel. Hosnedl, S. 2. přeprac. a dopl. vyd. Zürich: Heurista, 1995. 118 s. ISBN 80-90 1135-0-8. [Hubka&Eder 1988] Hubka, V., Eder, W.E: Theory of Technical Systems. Berlin Heidelberg: Springer - Verlag, 1988, (2. vyd. něm. 1984) ISBN 3-540-17451-6 [Hubka&Eder 1996] Hubka,V., Eder, W.E.: Design Science. London, Springer,1996, ISBN 3-540-19997-7 [ČSN-EN-ISO-9001 (2009) 2010] ČSN EN ISO 9001 (idt ISO 9000:2008 - Czech version of the European Standard EN ISO 9000:2008): Systémy managementu kvality Požadavky (Quality management systems Requirements). Praha: Český normalizační institut (2009), 2010 Poznámka: - Případná další speciální, zde neuvedená literatura viz [Hosnedl 2012] S. Hosnedl 19
Děkuji Vám za pozornost Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0206 Inovace výuky podpořená praxí.