Dobór materiałów konstrukcyjnych Dobor 4-4-got.pdfkonstrukcyjnych Dr inż. Hanna Smoleńska Materiały edukacyjne DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO CzęśćIV Tarcie i zużycie Wygląd powierzchni
Post on 09-Jun-2020
0 Views
Preview:
Transcript
Dobór materiałów konstrukcyjnych
Dr inż. Hanna Smoleńska
Materiały edukacyjneDO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO
Część IV
Tarcie i zużycie
Wygląd powierzchni metalu dokładnie obrobionej obróbką skrawaniem
P – całkowite obciążenie przenoszone przez powierzchnie
Schematyczne przedstawienie styku pomiędzy dwiema powierzchniami
Zużycie wywołane tarciem
Wpływ kontaktu powierzchni na zużycie
Smarowanie hydrodynamiczne
•Ruch powierzchni powoduje rozprzestrzenianie ciągłej warstwy cieczy w obszarze styku
•Powierzchnie są rozdzielone warstwa cieczy, siła działająca musi pokonaćopór cieczy
•Odległość 10-3 do 10-4
Smarowanie graniczne
•Smar pokrywa powierzchnie
•Modyfikacja charakteru zużycia powierzchni
•Smar może być płynny lub stały np. grafit
•Odległość <10-5
Warstwy pośrednie
•Powstają gdy twardy materiał przesuwa się po bardziej miękkim np. metal po polimerze
•Metal pokrywa się warstwą polimeru, który wypełnia nierówności powierzchni metalu – tarcie polimeru po polimerze
•Zwiększenie rzeczywistej powierzchni styku – zmniejszenie lokalnych nacisków
Różnice w wartości stałej Archard`a dla różnych kombinacji rodzajów materiału i rodzaju smarowania
Rodzaje zużycia
Zużycie adhezyjne
Zużycie adhezyjne
Typowe wartości zużycia adhezyjnego dla tarcia
utwardzonej stali po utwardzonej stali
Zużycie adhezyjneTypowe wartości zużycia m3/Nm (objętość materiału/droga tarcia · obciążenie)
Materiał albo powłoka Typowa wartośćzużycia
Smarowana utwardzona stal 10-17
Natryskany WC/Co 10-16
Natryskany tlenek chromu 10-16
PVD TiN 10-16
Chromowanie twarde 10-15
Azotowana stal stopowa 10-15
Azotowana stal nierdzewna 10-15
Termomechanicznie wytwarzane warstwy ceramiczne
10-15
Nawęglona stal 10-14
Azotowana stal niskostopowa 10-14
PTFE z włóknami szklanymi 10-14
Anodowane aluminium 10-13
Twarde niklowanie bezprądowe
10-13
Niklowanie bezprądowe 10-12
Normalizowana, nie smarowana stal
10-12
Stal austenityczna 10-11
Miedziowanie 10-11
Niklowanie elektrolityczne
10-11
Stopy aluminium 10-10
PTFE bez wypełnienia 10-10
Cynkowanie lub kadmowanie
10-9
Powłoki polimerowe 10-9
Srebrzenie 10-8
kA<<kB
Zużycie ścierne
Zużycie ścierne metali
Odporność na zużycie ścierne przy niskich obciążeniachKrytyczną wartością jest twardość powierzchni lub powłoki. Nawet cienkie powłoki mogą być wystarczające, jeżeli zapewniają właściwą twardość.
Odporność na zużycie ścierne przy wysokich obciążeniachTwardość nie jest cechą wystarczającą; istotna jest grubość warstwy, jej
wytrzymałość i zdolność do przenoszenia obciążeń.
Zużycie mieszane
Łożyska
Rodzaje stopów łożyskowych
Współczynnik kształtu przekroju
Istotne pole przekroju A, nie kształt
Istotne pole przekroju A oraz kształt przekroju wyrażony przez momenty bezwładności IXX,IYY
Istotne pole przekroju A i moment biegunowy J (kształt przekroju)
Istotne pole przekroju A i moment IXX (kształt przekroju)
Do podstawowych zagadnień doboru dla elementów typu belka potrzebne są 4 wskaźniki kształtu przekroju:
•Zginanie w zakresie odkształceń sprężystych
•Skręcanie w zakresie odkształceń sprężystych
•Wytrzymałość na zginanie
•Wytrzymałość na skręcanie
Wskaźnik kształtu przekroju dla zginania w zakresie odkształceń sprężystych
S – sztywność przy zginaniu ukształtowanego elementuS0 - sztywność przy zginaniu nie ukształtowanego elementu (przekrój kołowy)
S = E I
Wskaźnik kształtu przekroju jest niezależny od wielkości a jedynie od kształtu
Dla wszystkich współczynników pełen przekrój okrągły ma wartośćwspółczynnika 1.Każdy z powyższych przekrojów ma sztywność 10 razy większą niż pełen przekrój okrągły.
Zginanie sprężyste
121212022
024
0AbAbI ===
2200
12
12A
IAE
EIEIEI
SSe
B ====ϕ
5,13125,112 =∗=eBϕ
Współczynniki kształtu
Zakres zmienności wartości współczynnika kształtu dla stali konstrukcyjnej, stopu aluminium, GFRP i drewna
Dane doświadczalne dotyczące maksymalnych wartości współczynników kształtu
Materiał max max max max
Stalkonstrukcyjna
65 25 13 7
Stopyaluminium
44 31 18 8
GFRP i CFRP 39 26 9 7
Polimery (np. nylony)
12 8 5 4
Drewno (pełenprzekrój)
5 1 3 1
Elastomery <6 3 - -
Dobór najlepszego materiału i kształtu na lekką i sztywna belkę
Masa jest minimalna gdy minimalna jest wartość stosunku
21
E
ρ
Przykłady wskaźników uwzględniających kształt przekroju
Wskaźnik ukształtowania mikrostruktury
c) gąbka; d) kość; e) koral; f) ość rybia; g) liść irysa; h) łodyga rośliny
Natura wytworzyła mikrostruktury optymalne dla określonych celów:
• zmian gęstości w zależności od odległości od centrum zginania -struktura spieniona zamiast litej
•Zwiększenie średnicy elementu, zmniejszenie gęstości
Dla lekkiej, sztywnej belki zginanej – wskaźnik funkcjonalności nie uwzględniający kształtu:
M=E1/2/ρ
Uwzględniając kształt
M=(E φ)1/2/ρ
Współczynnik kształtu musi uwzględniać dla przypadku zginania moment geometryczny bezwładności (dla belki prostokątnej Ixx= bh3/12)
Współczynnik kształtu dla przekroju ukształtowanego wewnętrznie (np. drewno):ρ - gęstość drewna mierzona makroskopowoρs – gęstość ścian komórek drewna
Ixx= (ρ/ρs) (bh3/12)
Wynikowy współczynnik kształtu dla drewnianej belki o przekroju prostokątnym:
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=Φ
ρρπ s
calkeB b
h3
( ) eB
eBcalk
eB ψφ=Φ
Mikrostrukturalny współczynnik kształtu
Materiały ukształtowane również mogą być dobierane w oparciu o wykresy np. sprężyste zginanie:
( ) ( )∗
∗
===ρφρ
φρ
2/12/12/1 EEEM eB
eB
Materiał po ukształtowaniu zachowuje się jak materiał o module i gęstości:
eBEE φ/=∗
eBφρρ /=∗
Belka stropowa
Najczęściej stosowane materiały – drewno lub stal
Wymagania:
SZTYWNOŚĆ
Przy zadanej sztywności najlżejsza będzie belka o maksymalnej wartości wskaźnika M1:
( )ρ
φ 21
1E
MEB=
WYTRZYMAŁOŚĆ
najlżejsza będzie belka o maksymalnej wartości wskaźnika M3:
( )ρσφ 3
12
3f
eBM =
Materiały na belki stropowe
Materiał Drewno (sosna) Stal ( miękka)
Gęstość ρ [Mg/m3] 0,7 7,9
Moduł E [GPa] 15 210
Wytrzymałość σf [MPa] 80 310
Współczynnik kształtu φeB 2,1 15÷25
Współczynnik kształtu φfB 2,8 20÷35
M1 [GPa1/2/(Mg/m3)] 8.0 7÷9
M3 [MPa2/3/(Mg/m3)] 34 16÷19
Dźwigary do mięśniolotu
Obciążenia są przenoszone przez dwa dźwigary, jeden podtrzymujący skrzydła, a drugi łączący skrzydła z ogonem. Wymagana minimalna masa przy zadanej sztywności.
Główne obciążenie to zginanie.
MODEL
Poszukujemy takiej kombinacji materiał-kształt, która pozwoli uzyskaćminimalną masę przy określonej sztywności w warunkach zginania. Maksymalizacja współczynnika funkcjonalności:
( )ρ
φ 21
1E
MEB=
Materiał na sprężyny
Model
Funkcja: magazynowanie energii
Energia sprężysta zmagazynowana w jednostce objętości litego materiału poddanego naprężeniu σ:
EWv
2
21 σ•= max
Sprężyna nie może ulec zniszczeniu fσσ ≤
Maksymalna gęstość energii wynosi więc
EW f
v
2
21 σ•=
Skręcane pręty i sprężyny piórowe są mniej efektywne niż sprężyny osiowe (np. taśmy gumowe) ponieważ znaczna część materiału nie jest w pełni obciążona np. materiał w osi symetrii nie jest w ogóle obciążony.
Dla skręcanych prętów:
EW f
v
2
31 σ•=
dla sprężyn piórowych
EW f
v
2
41 σ•=
Wskaźnik funkcjonalności dla każdego typu sprężyny:
EM f
2
1
σ= max
Dla lekkich sprężyn:
EM f
ρσ 2
2 = max
Z uwzględnieniem kształtu
MODEL
Dla sprężyny płaskiej energia odkształcenia sprężystego zgromadzona w sprężynie obciążonej siłą F wynosi:
SB to sztywność sprężyny przy zginaniu
Działająca siła F nie może doprowadzić do odkształcenia plastycznego, a więc jej wartość maksymalna:
C1 i C2 – stałe; z przekształcenia równań zależność na maksymalną energięmagazynowaną w sprężynie:
V=So l – objętość materiału sprężyny.
Najlepszą kombinacją materiału i kształtu będzie ten dla którego wartośćwskaźnika M będzie najwyższa:
Skuteczność sprężyn
gdzie G= 3/8 E
Widelec rowerowy
FUNKCJA:
•Przenoszenie obciążeńzginających
WYMAGANIA:
•Minimalna masa
OGRANICZENIA:
•Założona w projekcie długość
•Nie może ulec zniszczeniu (wymagana wytrzymałość)
ZMIENNE:
•Materiał
•Średnica rury LUB grubość ścianki LUBkształt przekroju
WYMAGANIA:
OGRANICZENIA:
ZMIENNE:
pełen przekrój:
Rura:
Kształt:
top related