osnovi_konstruiranja

OOSSNNOOVVII KKOONNSSTTRRUUIIRRAANNJJAA KKoonnssttrruuiirraannjjee ppoommooććuu rraaččuunnaarraa ((CCAADD)) SSaattoo OOlleevviićć SSaammiirr LLeemmeešš

MMaaššiinnsskkii ffaakkuulltteett uu ZZeenniiccii

OS

NO

VI

KO

NS

TR

UIR

AN

JA

K

on

str

uir

an

je p

om

oć

u r

ač

un

ara

(C

AD

) S

ato

Ole

vić

Sam

ir L

emeš

Univerzitet u Sarajevu

Mašinski fakultet u Zenici

OSNOVI KONSTRUIRANJA KONSTRUIRANJE POMOĆU RAČUNARA (CAD)

Sato Olević

Samir Lemeš

Zenica, februar 1998.

SADRŽAJ

OSNOVI KONSTRUIRANJA 1. TEORETSKE OSNOVE KONSTRUIRANJA ....................... 1 1.1. Uvod u osnove konstruiranja ....................................................... 1 1.1.1. Pojam projektovanja i konstruiranja ............................................ 1 1.1.2. Konstruktor i konstrukcija ........................................................... 1 1.1.3. Faze oblikovanja proizvoda ......................................................... 2 1.1.4. Faktori koji utiču na konstrukciju ................................................ 3 1.2. Nauka o konstruiranju.................................................................. 10 1.2.1. Uvod u nauku o konstruiranju...................................................... 10 1.2.2. Metodičko konstruiranje .............................................................. 11 1.2.3. Osvrt na razvoj nauke o konstruiranju (nok) i teorijske

oblasti (okruženje) ....................................................................... 12 1.2.4. Cilj i budući pravci razvoja nok................................................... 14 1.2.5. Zahtjevi i ograničenja pri konstruiranju....................................... 15 1.2.6. Koncepcija idejnog rješenja ......................................................... 16 1.2.7. Izbor optimalne varijante - ocjena optimalnosti

koncepcijskog rješenja ................................................................. 18 1.2.8. Radni koraci pri koncipiranju ...................................................... 21 1.2.9. Apstrahiranje zbog upoznavanja osnovnih problema .................. 21 1.2.10. Primjer metodičkog koncipiranja novog proizvoda..................... 27 1.2.11. Primjer koncepcijskog rješenja familije automatskih pumpi

za otpadne vode određenog kapaciteta......................................... 36 2. STANDARDIZACIJA U MAŠINSTVU .................................. 41 2.1. Standardni brojevi ........................................................................ 43 2.1.1. Stupnjevi standardnih brojeva...................................................... 44 2.1.2. Redovi standardnih brojeva ......................................................... 46 3. TOLERANCIJE......................................................................... 49 3.1. Sistemi i vrste nalijeganja ............................................................ 55 3.1.1. Nalijeganje ................................................................................... 55 3.1.2. Vrste nalijeganja .......................................................................... 55 3.1.3. Sistemi nalijeganja ....................................................................... 56 3.2. Tolerancije slobodnih mjera......................................................... 58 3.3. Tolerancije oblika i položaja........................................................ 59 3.4. Složene tolerancije ....................................................................... 65 3.5. Princip maksimuma materijala..................................................... 68 3.5.1. Primjena principa maksimuma materijala.................................... 70 3.6. Primjeri tolerancija i označavanje na crtežima ............................ 79

4. PRESOVANI SKLOPOVI ........................................................ 84 4.1. Proračun steznog sklopa .............................................................. 87 4.1.1. Veličina potrebog minimalnog i dopuštenog maksimalnog

izmjerenog steznog preklopa ....................................................... 88 4.1.2. Proračun pritiska na naliježućim površinama .............................. 89 4.1.3. Jednačine naprezanja i deformacije na vanjskom i

unutrašnjem prstenu ..................................................................... 91 4.1.4. Proračun temperature za vruće navlačenje i pothlađivanje.......... 94 4.1.5. Sigurnost kod steznih spojeva...................................................... 94 4.1.6. Oblikovanje steznih spojeva ........................................................ 95 4.1.7. Stezni obruči ................................................................................ 96 4.1.8. Stezne trake.................................................................................. 98 4.1.9. Priljubljeni stezni spojevi............................................................. 100 5. ZAVARENE KONSTRUKCIJE .............................................. 102 5.1. Opšte o zavarivanju...................................................................... 102 5.2. Naponsko stanje u zavarenom spoju............................................ 104 5.3. Čvrstoća i sigurnost spojeva zavarenih topljenjem...................... 107 5.3.1. Statička čvrstoća zavarenih spojeva............................................. 107 5.3.2. Stepen sigurnosti statički opterećenih zavarenih spojeva ............ 107 6. KONCENTRACIJA NAPONA ................................................ 112 6.1. Pojam koncentracije napona ........................................................ 112 6.2. Smitov dijagram........................................................................... 117 6.3. Dinamička izdržljivost dijelova ili čvrstoća oblika...................... 119 6.4. Stepen sigurnosti.......................................................................... 120 6.4.1. Statički i dinamički stepen sigurnosti .......................................... 120 6.4.2. Dozvoljeni napon......................................................................... 120 6.4.3. Stepen sigurnosti za različite materijale....................................... 121 6.5. Dinamička čvrstoća materijala..................................................... 122 7. OBLIKOVANJE I DIMENZIONISANJE DIJELOVA

MAŠINSKIH KONSTRUKCIJA ............................................. 124 7.1. Kriteriji za dimenzionisanje dijelova mašinskih konstrukcija ..... 124 7.1.1. Dimenzionisanje na osnovu funkcije dijelova sklopova.............. 126 7.1.2. Dimenzionisanje na osnovu naponskih i drugih stanja

dijelova i sklopova ....................................................................... 130 7.1.3. Dimenzionisanje na osnovu potrebne krutosti mašinskih

dijelova......................................................................................... 131 7.1.4. Dimenzionisanje uz zadovoljenje zakonskih propisa .................. 132 7.1.5. Tipizacija ..................................................................................... 133 7.1.6. Unifikacija ................................................................................... 139 7.1.7. Modularno konstruiranje.............................................................. 140 7.2. Izbor polaznih elemenata za dimenzionisanje i racionalnost

iskorištenja mase dijelova ............................................................ 140 7.2.1. Uticaj masa mašinskog elementa ................................................. 142

7.2.2. Izbor parametara radnih uslova.................................................... 144 7.2.3. Opterećenje .................................................................................. 144 7.2.4. Dužina mašinskog dijela .............................................................. 145 7.2.5. Način oslanjanja........................................................................... 145 7.2.6. Oblik poprečnog presjeka ............................................................ 146 7.3. Lake konstrukcije......................................................................... 148 7.3.1. Izbor materijala mašinskih dijelova ............................................. 149 7.3.2. Izbor graničnih uslova.................................................................. 150 8. METODE OBLIKOVANJA ELEMENATA........................... 154 8.1. Konstruiranje odlivaka................................................................. 157 8.2. Konstruiranje otkivaka................................................................. 162 8.2.1. Osnovna uputstva za konstruiranje dijelova za izradu

slobodnim kovanjem.................................................................... 164 8.2.2. Osnovna uputstva za konstruiranje dijelova za izradu

ukovnim kovanjem....................................................................... 165 9. PLANETARNI PRENOSNICI ................................................. 168 10. LITERATURA ........................................................................... 176 KONSTRUIRANJE POMOĆU RAČUNARA

(CAD) 1. OSNOVNE DEFINICIJE .......................................................... 179 2. RAČUNARSKI SISTEMI ......................................................... 181 3. HARDWARE ............................................................................. 184 4. SOFTWARE............................................................................... 188 4.1. Izrada tehničke dokumentacije pomoću računara ........................ 191 4.2. Programi za obradu teksta............................................................ 192 4.3. Programi za tabelarne proračune.................................................. 193 4.4. Baze podataka .............................................................................. 195 4.5. Programi za analizu konstrukcija ................................................. 197 4.6. Programi za tehničko crtanje........................................................ 201 5. 2D GRAFIKA ............................................................................. 202 6. 3D MODELIRANJE.................................................................. 217 7. PARAMETARSKO MODELIRANJE .................................... 231 8. LITERATURA ........................................................................... 237

OSNOVI KONSTRUIRANJA

Sato Olević

Osnovi konstruiranja

1

1. TEORETSKE OSNOVE KONSTRUIRANJA

1.1. UVOD U OSNOVE KONSTRUIRANJA

1.1.1. POJAM PROJEKTOVANJA I KONSTRUIRANJA

Postanak neke mašine uslovljen je potrebom za tom mašinom. Na taj način je riješeno pitanje namjene mašine. Kada se zna njena namjena, mašina se predstavlja u obliku idejnog rješenja, tako što se pravi niz skica na kojima se pojedini dijelovi mašine vezuju na razne načine, sve dok se ne dobije najpovoljnije kinematsko rješenje. Pri odlučivanju koja je verzija najbolja neizbježan je kompromis između onoga što se može žrtvovati na račun nečeg drugog. Znanje i iskustvo stečeno praksom doprinose kvalitetu predloženog rješenja. Poslije faze studija ide se na stvarnu konstrukciju zasnovanu na naučnom principu i iskustvu.

1.1.2. KONSTRUKTOR I KONSTRUKCIJA

Konstruktor je odgovoran za funkcionalnu ispravnost svoje konstrukcije i za njenu ostvarljivost. Zbog toga opšta sprema konstruktora treba da počiva na poznavanju fundamentalnih i osnovnih primijenjenih tehničkih nauka (Nauka o materijalima, Elementi mašina, Fizika, Otpornost materijala, ...).

Pri rješavanju zadatka konstruktor mora uzeti u obzir sve zahtjeve koje konstrukcija mora da zadovolji, kao i zahtjeve koje postavlja naručilac. Konstruktor prati izradu konstrukcije u fabrici i njen život u eksploataciji. Na taj način se otkrivaju nedostaci konstrukcije i stiču iskustva za bolja rješenja. Sa istim ciljem se stalno prati razvoj nauke i tehnike, a naročito razvoj konstrukcija iz srodnih oblasti mašinstva. Konstruiranje se tako proširuje i na usavršavanje postojećih konstrukcija, tj. otklanjanje nedostataka radi prilagođenja funkcije svim zahtjevima kao što su poboljšanje ili izmjena postojeće mašine, smanjenje težine ili cijene koštanja, povećanje proizvodnih kapaciteta i dr.


2

1.1.3. FAZE OBLIKOVANJA PROIZVODA

ISTRAŽIVANJE PROIZVODA

Određene službe preduzeća su dužne da istražuju tržište, odnosno zahtjeve tržišta za proizvodima. Kada služba otkrije da će u skoroj budućnosti postojati potreba za određenim proizvodima, daje se zahtjev za konstruiranjem tih proizvoda.

PROJEKTOVANJE PROIZVODA

Po dobijanju određenih podataka potrebnih za projektovanje, konstruktor pristupa iznalaženju najpogodnijeg rješenja. Konstruktor proračunava glavne dimenzije i izrađuje idejnu skicu, pridržavajući se karakteristika već isprobanih konstrukcija. Nakon usvojene idejne skice pristupa izradi konstrukcije: izradi generalnog projekta, pojedinih grupa i podgrupa te samih elemenata.

Konstrukcija se zasniva na naučnim principima. Konstruiranje i proučavanje se najčešće vrše uporedo.

Prilikom izrade proračuna treba voditi računa o logičnosti rezultata. Naročito treba obratiti pažnju na izbor tolerancija elemenata i sklopova. Takođe treba voditi računa o tome da li se tako oblikovani dijelovi mogu izraditi. Pri tome će se javljati i nove ideje, a svaku novu ideju treba odmah zabilježiti i skicirati.

KONSTRUIRANJE PROIZVODA - POZICIJA

Na bazi idejne skice konstruktor izrađuje prethodni sklopni crtež u određenoj razmjeri. Nakon toga se crtaju pojedini sklopovi i podsklopovi na bazi priključnih mjera, a zatim se crtaju pojedini detalji, odnosno radionički crteži. Svaki takav crtež mora biti potpuno jednoznačno određen i da sadrži sve potrebne podatke (o materijalu, broju komada, termičkoj obradi, težini, ...). Poslije utvrđivanja svih dimenzija na detaljima i podsklopovima, pristupa se izradi sklopnog crteža u određenoj razmjeri. Ovaj crtež treba da sadrži samo glavne dimenzije, a svi detalji trebaju biti obilježeni brojevima radi povezivanja sa specifikacijom.

ZAVRŠNO ISPITIVANJE PROIZVODA U EKSPLOATACIJI

Eksploataciji mašine prethodi ispitivanje. Zato se uvijek prvo konstruiše prototip, koji se ispituje, a tek onda se pristupa definitivnom konstruiranju. Ispitivanjem gotove mašine dobija se slika o njenom ponašanju u eksploataciji. Osim ovog ispitivanja, preporučuje se i praćenje ponašanja mašine u eksploataciji, prikupljaju se primjedbe potrošača, prate se srodne konstrukcije, te se prikupljaju podaci u vezi sa radom čitave konstrukcije.


3

1.1.4. FAKTORI KOJI UTIČU NA KONSTRUKCIJU

NAMJENA KONSTRUKCIJE

Osnovni i polazni uslov za rješenje zadatka koji je postavljen konstruktoru je upravo taj faktor - namjena konstrukcije. Namjenom su određeni opšti i posebni uslovi koji moraju biti zadovoljeni. Konstruktor treba da vodi računa o ovim faktorima:

* o gabaritu i osovinskom pritisku kod šinskih vozila,

* o težini i o aksijalnom radijusu kod osovina,

* o dometu i tačnosti gađanja kod artiljerijskih oruđa,

* o otpornosti prema koroziji kod mašina za prehranu,

* o izdržljivosti,

* o cijeni koštanja,

* o estetskom izgledu (npr. kod automobila).

Pri konstruiranju alatnih, poljoprivrednih i drugih mašina važno je takođe ko će rukovati mašinom: kvalifikovani ili priučeni radnik. Kod konstruiranja vozila za gradski saobraćaj kao glavni faktor gleda se brz ulazak i izlazak putnika iz vozila, jer se time dobija ušteda na vremenu, te brži (češći) dolazak vozila na stajališta.

FUNKCIJA KONSTRUKCIJE

Funkcionalna mašina treba da je potpuno sigurna i da ne postoje izrazito slaba mjesta koja bi mogla da ugroze njenu funkcionalnost i ispravnost. Svi mehanizmi treba da su, po mogućnosti, isprobani i što prostiji, mase uravnotežene, vibracije otklonjene, odnosno prigušene. Treba uvijek nastojati da se postigne smanjenje težine, zatim obratiti pažnju na osigurače, kao i na regulatore bezbjednosti konstrukcije.

IZBOR MATERIJALA

Dobro poznavanje materijala i njihovih osobina omogućuje konstruktoru ispravan izbor. Glavni faktori o kojima se pri izboru materijala vodi računa su: oblik, namjena, vrste naprezanja, mogućnost nabavke, način izrade, cijena koštanja, težina i sl.

Trgovački materijali, npr. ugljenični čelik, znatno su jeftiniji od specijalnih materijala (legiranih čelika, obojenih metala), pa prema tome ove materijale treba upotrebljavati samo tamo gdje obezbjeđuju naročitu prednost. Međutim, skuplji materijal, naprimjer materijal povećane tvrdoće, je otporniji prema habanju, a baš takva osobina je neizbježna za dijelove izložene jakim dodirnim


4

pritiscima. Konstruiranje livenih dijelova iziskuje jako dobro poznavanje tehnologije livenja (skupljanje, šupljine, dimenzionisanje izgubljenih glava,...).

OBLIK

Oblik zavisi od namjene, načina izrade, materijala i od opterećenja. Pri izboru oblika treba voditi računa o eventualnoj serijskoj proizvodnji, raspoloživim mašinama i alatima i o cijeni koštanja. Oblik prilagođen serijskoj proizvodnji može znatno da se razlikuje od oblika predviđenog za pojedinačnu proizvodnju.

ESTETSKI ZAHTJEVI I TEŽINA

Konstruktor pri konstruiranju mora voditi računa o estetskom izgledu mašine. Mašina mora biti tako konstruirana da je prihvatljiva i sa strane funkcionalnosti i sa strane njenog spoljnjeg izgleda. Konstruktor takođe mora da teži što manjoj težini konstrukcije. Da bi se ta težnja ostvarila, nužno je vršiti statički proračun kako bi se približilo idealnom obliku pojedinih dijelova i mašine kao cjeline.

TRENJE I HABANJE

Habanje je neželjeno odvajanje čestica materijala pod uticajem mehaničkog djelovanja sila trenja ili pod uticajem otpora kotrljanja, udaranja nekog mlaza, kavitacije i sl. Proces habanja je vremenski proces, koji najčešće teče kao što je prikazano na dijagramu na slici 1.

pohabanost (dubina)

h [mm] 1

0put habanja

vrijeme t [h]

Slika 1. Proces habanja


5

Pohabanost je u početku mala, a poslije raste progresivno. Tačka 1 pokazuje vrijeme nakon prvog habanja, koje je u početku intenzivnije. Od 0 do 1 je habanje najveće, a od 1 nadalje habanje je progresivno. Posljedice habanja su štetne, tj. ispoljavaju se u gubitku materijala, gubitku energije na savladavanje sila trenja, pojačanom zagrijavanju elemenata koje prouzrokuje dodatne deformacije i napone, te neprijatnoj škripi i smanjenju tačnosti rada mašine (značajno kod mašina alatki).

Spoljni znaci habanja su:

* brazde,

* plastične deformacije,

* ojeđenost,

* naboranost,

* oksidacija od trenja,

* rupičavost,

* izbočine,

Pohabanost se izražava kao dužina, zapremina ili težina odvojenog materijala po jedinici vremena ili pređenog puta, a izražava se u [mm/m], [mm/h], [mm3/km], [mg/m], [mg/kg], [mg/h] ili nekoj drugoj jedinici izvedenoj prema konkretnim prilikama.

Na slici 2 je prikazan dijagram habanja materijala izražen povećanjem zazora u odnosu na vrijeme.

zazor

f 3f 2

f 1f m

ont.

t3t2t1

0 vrijeme t [h]

Slika 2. Habanje materijala izraženo preko zazora


6

Na slici 2 je:

f1 - zazor za period razrade,

f2 - zazor za vrijeme rada,

f3 - daljnji zazor,

tg = f2 / t2

f2 = t2 tg

fuk. = fmont. + f1 + f2 + f3

Ima više načina za ublaženje habanja:

* konstrukcione mogućnosti,

* tehnološke mogućnosti,

* konstrukciono-tehnološke mogućnosti.

1) Ukoliko je dodirni pritisak dvaju tijela manji, utoliko je habanje slabije.

2) Vrste kretanja utiču na proces habanja. Povoljnije su manje brzine klizanja. Manje će se habati glatke i tvrde površine.

3) Habanje zavisi od mehaničkog stanja dodirnih površina.

4) Međusobni odnos osobina materijala igra značajnu ulogu u procesu habanja (važno kod pužnih prenosnika sa kombinacijom materijala - npr. puž od čelika za cementaciju a pužni točak od Al-bronze). Za zupce segmentnih zupčanika je pogodnije kad nisu od materijala iste tvrdoće.

5) Smanjivanjem koeficijenta trenja kliznih površina može se habanje osjetno ublažiti. Zato treba izbjegavati oblast trenja suhih ili polunakvašenih površina i uvijek nastojati da se u kliznim ležištima ostvari hidrodinamičko plivanje, jer je tada trenje neznatno, a ležište odvojeno od rukavca slojem maziva. Konstruktor mora predvidjeti pravilnu izradu i obradu kliznih površina, cirkulaciju i prečišćavanje maziva, zaštitne mjere protiv prodiranja sitnih tijela u ležište i dr.

6) Zagrijanost elemenata može takođe izazvati pojačano habanje, zbog deformacije i zbog slabljenja materijala. Zagrijavanje elemenata u radu može se ublažiti hlađenjem (motori s unutrašnjim sagorijevanjem) i smanjenjem otpora trenja .


7

KOROZIJA

Korozija je neželjeno odvajanje čestica materijala pod uticajem hemijskog razaranja materijala, bilo da je u pitanju čisto hemijsko djelovanje, oksidacija, nagrizanje materijala zbog dodira s vlagom, kiselinama, alkalijama ili elektro-hemijsko djelovanje (rastvaranje metala djelovanjem električne struje u elektrolitu).

Korozija se ispoljava u vidu hrđe, nepravilno raspoređenih ljuspica ili sitnih rupica, čime smanjuje čvrstoću materijala i naročito dinamičku izdržljivost. Ona je naročito štetna za aparate hemijske industrije, za brodove, poljoprivredne mašine i sve mašine koje su izložene atmosferskim uticajima. Glavne mogućnosti za ublažavanje korozije su:

1) Izbor povoljne sprege materijala, kad je u pitanju korozija elektro-hemijskog porijekla.

2) Zaštita ili izolacija elemenata izloženih koroziji.

3) Primjena materijala otpornog na koroziju (liveno gvožđe, mesing, hrom, čelik, Ni-čelik,...)

4) Prevlačenje materijala zaštitnim slojem, metalnom ili nemetalnom prevlakom kao što su:

lakiranje,

emajliranje,

fosfatisanje, zamašćivanje,

bromiranje,

patentiranje,

niklovanje,

hromiranje.

5) Izbjegavanje mrtvih uglova u oblicima elemenata i hrapavih površina na ugroženim mjestima, jer takva mjesta mogu biti legla taložnika - uzročnika korozije (slika 3).

6) Izbor što finije obrade površina Treba predvidjeti mogućnost zamjene istrošenog elementa rezervnim dijelom i pri rješavanju konstrukcije ostvariti uslove za laku zamjenu. Postoji mjera za ublažavanje habanja i korozije - to je navarivanje materijala na istrošena mjesta. To se primjenjuje kod istrošenih kliznih ležišta.


8

Slika 3. Mjesta moguće pojave korozije

BEZBJEDNOST U RADU

Specijalni propisi u vezi sa bezbjednošću izrađeni su za sve mašine koje bi u svom radu mogle ugroziti bezbjednost radnika.

Uređaji za bezbjednost povećavaju cijenu koštanja mašine ali doprinose produktivnosti, jer ne skreću pažnju radnika tako da mora misliti na svoju bezbjednost. Ima slučajeva kad je posebno potrebno paziti na bezbjednost (niklovanje, reaktori, fabrike municije i eksploziva i sl.).

IZRADA I OBRADA

Osnovni postupci za izradu oblika su deformisanje u toplom i hladnom stanju (kovanje i presovanje, mehanička obrada skidanjem strugotine, struganje, brušenje, glodanje, bušenje, zavarivanje, lemljenje, lepovanje, itd.). Koji će se postupak primjenjivati, zavisi od oblika komada i opremljenosti fabrike. Za pojedinačnu proizvodnju dolazi u obzir zavarivanje, kovanje i mehanička obrada. Za serijsku, odnosno masovnu proizvodnju - livenje, valjanje, presovanje, izvlačenje, mehanička obrada na automatima, zavarivanje pomoću automata. Zbog toga se razlikuju oblici elemenata predviđeni za pojedinačnu i masovnu proizvodnju.

TRANSPORT

Oblik, veličina i težina mašine mora biti u skladu sa mogućnosti transporta iz fabrike do mjesta upotrebe. Mašina ne smije biti ni teža ni veća nego što odgovara kapacitetu transportnog sredstva, željeznice, broda, šlepera, kamiona ili drugog vozila.


9

Kada je predviđen transport željeznicom, moramo voditi računa o dopuštenom osovinskom pritisku, dimenzijama vagona i o gabaritu pruge. Kada se transport obavlja brodom, mjerodavna je nosivost brodskih i pristanišnih dizalica. Zbog takvih ograničenja mašina mora biti tako konstruirana da se može jednostavno rastaviti na dijelove i tako transportovati. Za dizanje i spuštanje moraju biti predviđena mjesta za hvatanje, otvori u kućištima za provlačenje užadi, uške za kačenje i dr. Ta mjesta se moraju nalaziti iznad težišta mašine, i to simetrično oko težišta ili tačno iznad težišta mašine.

Zapremina amblaže može se smanjivati ako se dijelovima da pogodan oblik za pakovanje. Sudovi nagnutih strana zauzimaju manje prostora prilikom transporta.

SKLAPANJE

Sklapanje mašine je završni dio procesa proizvodnje neke mašine ili mehanizma. Lako sklapanje i rasklapanje su dobre strane konstrukcije.

Troškovi sklapanja mogu biti znatni. Pri sklapanju automobila ovi troškovi iznose 20% ukupnih proizvodnih troškova. Pri maloserijskoj ili pojedinačnoj proizvodnji, kada se dotjerivanje elemenata vrši ručno, udio troškova sklapanja je znatno veći. Troškovi za rasklapanje i sklapanje pri remontu iznose i do 50% ukupnih troškova remonta.

Greške pri sklapanju utiču na karakter mašine, pa je dužnost konstruktora da predvidi takav način sklapanja koji će onemogućiti pogrešno sklapanje.

RUKOVANJE

Mašina treba da bude što pogodnija za rukovanje, da je obezbijeđena od kvara za slučaj pogrešnog rukovanja i da se lako poslužuje i kontroliše u radu.

Elementi podložni kvaru (npr. zaptivač) trebaju biti lako zamjenljivi. Broj rezervnih dijelova treba biti što manji, a troškovi održavanja i pogona što niži.

EKONOMSKI USLOVI

Zadatak je konstruktora da u okviru svoje nadležnosti učini sve da troškovi proizvodnje i eksploatacije mašine budu što manji. Konstruktor treba da primijeni sve da se postigne ušteda u troškovima. Pred konstruktora se postavlja pet odgovarajućih faktora, i to:

1) Za konstruiranje, ušteda se može postići primjenom standardnih oblika i iskorištavanjem standardnih polufabrikata, primjenom što manjeg broja raznovrsnih elemenata.

2) Za materijal, ušteda se postiže izborom pogodnog materijala po količini, po cijeni i po osobinama, kao i po pogodnosti za obradu.


10

3) Za izradu, obradu i kontrolu mjera, ušteda se postiže izborom oblika koji se što jednostavnije i u kraćem vremenu mogu izvoditi i obrađivati, uz što veću primjenu mašina, pribora i alata kojima fabrika već raspolaže.

4) Za sklapanje i pakovanje, izvršiti najjednostavnije i najjeftinije sklapanje i pakovanje uz dovoljne mjere sigurnosti da ne dođe do oštećenja mašine.

5) Za eksploataciju, ušteda se postiže studijom specifičnih procesa projektovanja mašine, npr. bolji su motori koji troše manje goriva ili manje maziva na jedinicu proizvodne snage, iako su nešto skuplji.

1.2. NAUKA O KONSTRUIRANJU

1.2.1. UVOD U NAUKU O KONSTRUIRANJU

Ekonomičnost

Tržište

Recirklacija

EksploatacijaProizvodKonstrukcija

EksploatacijaIzrada

(proizvodnja)mašine

Konstrukcijamašinskog

sistema

Slika 4. Etape procesa konstruiranja


11

1.2.2. METODIČKO KONSTRUIRANJE

Praktična primjena nauke o konstruiranju nazvana je metodičko konstruiranje. Metodičkim konstruiranjem nastoji se razviti proces konstruiranja kao metoda koja omogućuje da se metodika konstruiranja rješava uopšteno, a ne kao problematika konstruiranja određene mašine ili uređaja. Metodičko konstruiranje omogućuje da se proces konstruiranja razradi algoritmički i rješava primjenom računara. Proces konstruiranja počinje idejom (nekim konstruktivnim problemom), a završava se gotovim proizvodom - ispitanim prototipom. Sadržaj procesa konstruiranja može biti u jednostavnijem ili složenijem obliku. Na sljedećoj šemi je prikazan skraćen proces konstruiranja, onakav kakav se koristi u mašinskim elementima.

Da

Da Napomena:Ostali dijeloviposla surutinski

Konstruktivni diokonstruktorovog

poslaDa li je konstrukcija

funkcionalno ispravna

Računanje

Skiciranje

Ideja - intuicija

Podloga zaproizvodnju

Konstruktivniproblem

Ne

Davanje forme

Dijelovi koji seponavljaju

Ponovno računanje

Detaljisanje

Crtanje

Da li je konstrukcijumoguće izvesti

Ne

Sastavnice

Crteži za montažu

Slika 5. Šema procesa konstruiranja


12

1.2.3. OSVRT NA RAZVOJ NAUKE O KONSTRUIRANJU (NOK) I TEORIJSKE OBLASTI (OKRUŽENJE)

DEFINICIJA

Nauka o konstruiranju (NOK) je kreativni misaoni proces kod kojeg se polazi od apstraktne postavke zadatka (koncepta), preko procesa oblikovanja (projekta), do proizvoda (konstrukcije).

Mnogi ljudi su se bavili ovim misaonim procesom, obrađivali ga i ostavili pisane tragove o tome. Naročito je ovaj proces intenziviran u posljednjih 30-50 godina, iako postoje tragovi i iz XIX vijeka (Redenbah i Relo).

Konstruiranje je proces koji se odvija u društvenom, ekonomskom i tehničkom okruženju, dakle odvija se pod uticajem niza okolnosti. Nauka o konstruiranju proučava proces konstruiranja uzimajući u obzir sve okolnosti i ograničenja.

EVOLUCIJA STVARANJA NOK (ORIGINALNI RADOVI)

Ostwald Njemačka 1943

Wögebanen Njemačka 1943

Zwicky SAD 1948

Fisch SAD 1950

Hansen

Bischof Njemačka 1952

Kesselring Švicarska

Goranski Sovj. Savez 1962

Asimov SAD 1962

Gosting Vel. Britanija 1962

Rodenacker Njemačka 1970

Hongo Japan 1970

Beitz-Pahl Njemačka 1972

Köller Njemačka 1973

Hubka Švicarska 1974

Onlov Sovj. Savez 1976


13

Naravno, navedeni su oni autori koji su odigrali veliku ulogu u razvoju NOK-u. Na osnovu radova navedenih naučnika i na osnovu međunarodnih - ICED (International Conference on Engineering Design) i nacionalnih naučnih skupova (U bivšoj SFRJ - JUDEKO - JUgoslovensko Društvo za Elemente i Konstruiranje) formiran je koncept nauke o konstruiranju kao nauke koja ima multinacionalni karakter. Teoretske oblasti koje se smatraju "okruženjem" NOK-u date su na slici 6. Onaj ko misli sistematski proučiti nauku o konstruiranju mora poznavati sve navedene naučne oblasti (naravno, uz već poznate: mehanika, otpornost materijala, mašinski materijali, termo-dinamika,...).

Izborne uže stručne oblasti(motori SUS, metalurške mašine i sl.)

Nauka okonstruisanju

(NOK)

Teorija deformacija

Teorija mašinskihsistema i metodematematičkogmodeliranja

Teorija pouzdanostii efikasnostimašina

Teorija i metodekonstruisanja

Teorija optimizacijei odlučivanja

Primjena računaraCAD/CAM

Teorija oblikovanja

Kvalimetrija(inženjerska

mjerenja)

Teorija dinamikemašinskih sistema

Teorijaautomatskog

upravljanja

Tribologijamašinskih sistema

Slika 6. Teorijsko okruženje nauke o konstruiranju


14

1.2.4. CILJ I BUDUĆI PRAVCI RAZVOJA NOK

NAUKA O KONSTRUIRANJU znači, prostim riječima, kako čovjeka obučiti da konstruiše mašinske sisteme.

METODA KONSTRUIRANJA. Riječ metod znači način pristupanja pojavama koje se proučavaju, odnosno planski postupak za postizanje nekog cilja. Vremenom se razvilo više metoda konstruiranja. Još nije pronađena optimalna metoda, tako da se danas vrši sistematizacija postupka na osnovu metoda raznih istraživača.

Generalno, prof. Pahl smatra da postoje dvije metode:

* intuitivna metoda (raširena u Anglosaksonskim zemljama),

* metodičko konstruiranje (više rašireno u Zapadnoj Evropi).

U metodičkom konstruiranju (što je i logično) traži se metod. Ima dosta metoda konstruiranja koje su razvili razni istraživači. Sve metode su ipak heurističke (manje matematike, a više intuicije). Heuristika je vještina pronalaženja istine.

PROCES KONSTRUIRANJA sadrži niz faza i operacija kojima se vrši prerada i korištenje informacija (znanja i podataka) da se od ideje dođe do projekta (crteža) koji je podloga za realizaciju. Sadržaj procesa konstruiranja može biti različit u zavisnosti od metoda konstruiranja. Jedan takav proces konstruiranja dat je na slici 5.

MAŠINSKI SISTEM predstavlja skup elemenata i relacija između njih i njihovih karakteristika povezanih međusobno u cjelinu na način pogodan za rad mašinskog sistema, a mogu biti:

* energetski (pretvaranje jednog oblika energije u drugi),

* izvršni (vrši neki koristan rad),

* mašinski sistemi posebne namjene (naoružanje).

VRSTE KONSTRUKCIJA

* Nove konstrukcije (opšta funkcija konstrukcije ostvaruje se novim principom rada)

* Varijantne konstrukcije (imaju isti princip rada, a varira se razmještaj elemenata konstrukcije unutar granica sistema)

* Prilagođene konstrukcije dobijaju se prilagođavanjem poznatih principskih rješenja novom zadatku. Koncipiranje konstrukcije ili se ne vrši ili se izvodi djelimično.


15

* Konstrukcije sa čvrstim principom (koncepcija je uvijek ista, kao i princip rada, a mijenjaju se samo mjere)

* Ponovljene konstrukcije (bez ikakvih izmjena, osim možda u tehničkoj dokumentaciji - manje izmjene). Izrađuje se samo nova serija.

Već je rečeno da se NOK razvila na osnovu naučnih saznanja u nizu teorijskih oblasti, pa nije teško zaključiti da će pravci razvoja biti:

* Usavršavanje teorije mašinskih sistema (pouzdanost, tehnologičnost, ekonomičnost). Pojam tehnologičnost podrazumijeva da su svi elementi napravljeni tehnološki lako (na postojećim mašinama)

* Usavršavanje teorije procesa konstruiranja - razvojem sistematizovanih ili intuitivnih metoda.

* Primjena matematičkog modeliranja objekta konstruiranja

* Usavršavanje i primjena računara u svim etapama stvaranja mašinskih sistema

* Automatizacija procesa projektovanja i konstruiranja

* Istraživanje strukture elemenata mašinskih sistema sa aspekta čvrstoće, pouzdanosti, krutosti, dinamičkog ponašanja i drugih kvalitativnih parametara

* Stvaranje novih programa za obrazovanje projektanata i konstruktora u mašinstvu radi povećanja njihove kreativne sposobnosti.

1.2.5. ZAHTJEVI I OGRANIČENJA PRI KONSTRUIRANJU

Prilikom konstruiranja potrebno je definisati koji zahtjevi i ograničenja moraju biti uzeti u obzir, kako bi se na osnovu njih moglo izvršiti vrednovanje pojedinih varijanti rješenja. Lista zahtjeva predstavlja interni popis zahtjeva i ograničenja predviđenih za razvoj nekog proizvoda. Sa tom listom zahtjeva se kontrolišu postavljeni problemi, a pri tome se mora zadovoljiti i definisati:

1) Funkcija

2) Radna svojstva, gdje treba definisati način rukovanja, pouzdanost, održavanje i sl.

3) Ergonomska svojstva: da se čovjeku omogući što lakše rukovanje konstrukcijom

4) Tehnološka svojstva (ograničenja i alati kojima raspolažemo)

5) Ekonomska ograničenja (cijena)


16

6) Sklapanje, rasklapanje (montaža, demontaža)

7) Uslovi isporuke, transporta i montaže. Mora se voditi računa o gabaritu konstrukcije

8) Estetski uslovi (vanjski izgled)

1.2.6. KONCEPCIJA IDEJNOG RJEŠENJA

Postoji mnogo razrađenih metoda konstruiranja koje imaju neki određeni algoritam. Nijemac Kesselring obrađuje principe i podlogu za način rješavanja problema i time daje svoju metodu koja polazi od toga da konstrukcija bude što lakša i jednostavnija. Osim te metode, postoje još:

* Zwicky-jeva metoda

* Hansenova metoda

* Rodenackerova metoda

* Hubkina teorija sistema mašina

* Maleksova metoda matrice otkrića i dr.

Sve ove metode su heurističke. Postupak se odvija kroz nekoliko koraka, a blok šema optimalnog rješenja bila bi kao na slici 7.

Strukturafunkcije

Matricaizvršilaca

Formiranjevarijantnog

rješenja

Izboroptimalnevarijante

Slika 7. Struktura funkcije mašinskog sistema

Struktura funkcije mašinskog sistema obuhvata:

* Opštu funkciju mašinskog sistema

* Parcijalne funkcije mašinskog sistema

* Elementarne funkcije mašinskog sistema

Parcijalnu funkciju nikad ne vrši jedan mašinski element, nego je uvijek vrši sklop mašinskih elemenata. Elementarne funkcije izvršava mašinski element. Opšta funkcija se ostvaruje cijelim mašinskim sistemom. Opšta funkcija može biti vrlo različita: dizanje tereta, transport, pakovanje itd. Rješenje mašinskog


17

sistema nije a priori poznato. Opšta funkcija se postavlja pomoću ulaza i izlaza, a rješava se pomoću takozvane "crne kutije" (slika 8).

Input (ulaz)Blackbox

Output (izlaz)

Slika 8. Crna kutija

BLACK BOX Materijal M2

Energija E2

Signali S2

Materijal M1

Količina 2

Kvaliteta 2

Troškovi 2

Količina 1

Kvaliteta 1

Troškovi 1

Energija E1

Signali S1

Slika 9. Mašinski sistem u kojem se vrši pretvaranje ulaznih u izlazne veličine

Opštafunkcija

IV parcijalnafunkcija

III parcijalnafunkcija

1

II parcijalnafunkcija

I parcijalnafunkcija

2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4

Slika 10. Funkcionalna struktura mašinskog sistema


18

1.2.7. IZBOR OPTIMALNE VARIJANTE - OCJENA OPTIMALNOSTI KONCEPCIJSKOG RJEŠENJA

Koncepcijsko rješenje se formira tako što se odrede izvršioci parcijalnih funkcija, i to za svaku parcijalnu funkciju po više izvršilaca, te se isti upišu u tabelu koja se naziva morfološka matrica. Pojedini izvršioci se zatim kombinuju i na taj način se formiraju varijante rješenja. Nakon toga se pristupa ocjeni pojedinih varijanti.

Izbor optimalne varijante se vrši po dva kriterija, tehničkom i ekonomskom, i to se zove dvoparametarsko vrednovanje. Osnova za vrednovanje rješenja je lista zahtjeva.

IF1 IF2 IF3 IF4 IF5 IF6 IF7 IF8 IF9

PF1

PF2

PF3

PF4

PF5

Slika 11. Morfološka matrica

VREDNOVANJE PO TEHNIČKOM KRITERIJU

Pretpostavlja se "n" kriterija, naprimjer:

* sigurnost i kvalitet izvršne funkcije

* sigurnost i pouzdanost u radu

* održavanje sistema

* ergonomičnost

* nivo troškova, itd.

Postoji pet ocjena rješenja (p1, p2, p3, p4 i p5). Postoji najviša ocjena pmax koja predstavlja idealno rješenje. Tada je tehnička dobrota:

xp p p p

n p

p

n pin

jj

n

1 2 3 1...

max max

(1.1)


19

Ako su izračunate vrijednosti:

xi < 0,6 - rješenje ne zadovoljava

xi > 0,7 - dobro rješenje

xi > 0,8 - vrlo dobro koncepcijsko rješenje

Svako koncepcijsko rješenje ocjenjuje se sa ocjenom p = 0...4 ili p = 1...5.

Ocjene 0...4 Ocjene 1...5 Rješenje

4 5 Idealno

3 4 vrlo dobro

2 3 dobro

1 2 zadovoljavajuće

0 1 nezadovoljavajuće

VREDNOVANJE PO EKONOMSKOM KRITERIJU

Ovdje se vrednovanje vrši u odnosu na ukupne troškove proizvodnje (H):

* troškovi izrade

* troškovi razvoja proizvoda

* troškovi uprave

* troškovi prodaje

Na osnovu tržišne cijene ocjenjuju se dopušteni troškovi izrade (Hdop). Ekonomska dobrota (ekonomska koordinata) idealnog rješenja je:

yH

Hi

dop

0 71

, (1.2)

Ako imamo u vidu da se troškovi izrade (H) sastoje se od troškova materijala (masa materijala), otpadnog materijala, cijene nabavke itd.:

* Troškovi alata i mašina (obim proizvodnje, produktivnost opreme)

* Troškovi neposrednog rada

* Opšti troškovi rada


20

Vidimo odmah da ovakav pristup ekonomskoj dobroti nije opravdan jer mnogi parametri koncepcijskog rješenja nisu poznati i definisani pa je ovakva postavka komplikovanija i nepouzdanija. Zato se vrši uproštavanje tako da se ekonomsko vrednovanje vrši na sličan način kao i tehničko vrednovanje.

Kriteriji za vrednovanje su u ovom slučaju:

* broj dijelova

* složenost dijelova

* složenost mašine (mašinskog sistema)

* broj standardnih dijelova, itd.

Ocjena se i ovdje daje na osnovi iskustva i subjektivna je.

OCJENA OPTIMALNOSTI KONCEPCIJSKOG RJEŠENJA

Ocjena se vrši na osnovu tehničke i ekonomske dobrote (koordinate), nacrtane dijagramski.

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3

54

Idealno rješenje

Ekonomskadobrota - Y

1

2

Tehnička dobrota - X

Slika 12. Dijagram za ocjenu optimalnosti koncepcijskog rješenja

Numerički pokazatelj optimalnosti se može odrediti aritmetički:

wx y

2

(1.3)

ili hiperbolički (pogodniji oblik od aritmetičkog):

w x y (1.4)


21

1.2.8. RADNI KORACI PRI KONCIPIRANJU

Fazi koncipiranja prethodi odluka koja služi da bi se utvrdilo:

1. Je li lista zahtjeva toliko raščišćena da se može pristupiti koncepcijskom ili projektnom rješavanju zadataka?

2. Jesu li potrebne dalje informacije vezane za zadatak?

3. Postoje li izgledi da se uz podnošljivo angažiranje može ostvariti cilj?

4. Je li potrebna koncepcjska razrada ili postojeća rješenja mogu poslužiti kao osnova za projektnu razradu?

5. Ako mora biti provedena koncepcijska faza, potrebno je riješiti kako će se i koliko koristiti metodičkim postupkom.

Na slici 13. prikazani su radni koraci procesa konstruiranja. Šrafiranjem su prikazani oni radni koraci koji pripadaju fazi koncipiranja.

1.2.9. APSTRAHIRANJE ZBOG UPOZNAVANJA OSNOVNIH PROBLEMA

Osim preciziranja ograničenja u listi zahtjeva za traženje odgovarajućih rješenja zadataka, važno je da se sagleda bit problema koji treba riješiti. Da bismo to postigli, potrebno je izvršiti analizu problema i tzv. apstrakciju. Analiza problema predstavlja zapravo analizu zahtjeva u odnosu na traženu funkciju i bitne uvjete zbog što jasnijeg osvjetljenja same biti. Apstrakcija znači odvojiti se misaono, graditi nove misaone predodžbe radi boljeg uočavanja i poimanja onog što je u nečemu glavno, opće. Apstrakcija predstavlja napuštanje individualnog i slučajnog i nastojanje isticanja općevažećeg i bitnog. Takvo uopćavanje kojim se ističe bitno vodi do biti problema. U konstrukciji apstrahiranje znači misaono odvajanje od uobičajenih konvencionalnih rješenja i pokušaj ostvarivanja prikladnijih i svrsishodnijih rješenja.


22

Utvrđivanje konačnog rješenja

Odobrenje da se pristupi koncipiranju

ZADATAK(PROBLEM)

Raščišćavanje zadatka - razrada zahtjeva koji proiz laze izzadatka (prikupljanje informacija)

Apstrahiranje. Upoznavanje osnovnih problema

Razrada funkcionalne struktureUkupna funkcija - parcijalna funkcija

Traženje principa rješenja koji zadovoljavaju pojedine parcijalnefunkcije

Kombiniranje principa rješenja radi ispunjenja glavne funkcije

Konkretiz iranje koncepcijsk ih varijanti

Vrednovanje na osnovi tehničkih i ekonomskih kriterija

Utvrđivanje koncepcije rješenja

Razrada predprojekta (približno u mjerilu) - variranjepredprojekta - variranje konstrukcijskih značajki - grubi

proračun - izbor materijala - tehničko i ekonomsko vrednovanje

Odobrenje za konstrukcijsku razradu

Razrada definitivnog projekta - kontrola pojedinih funkcija,izdržlj ivosti, mogućnosti izrade, montaže, eksploatacijsk ih

svojstava i cijena

Proizvod

Odobrenje za proizvodnju

Optimiranje detalja - razrada podloga za proizvodnju - iz radamodela i prototipa - kontrola i poboljšavanje u odnosu na

zahtjeve postavljene u zadatku

kvalitetnoizraditi -

unaprijediti- poboljšati

Informacijaprilagođavanje

listi zahtjeva

optimiranjekoncep-cijskogrješenja

konci-piranje

optimi-ranjeobliko-vanja

izrada

projek-tiranje

Slika 13. Radni koraci faze koncipiranja

Apstraktno formuliranje problema sprečava nas da slijedimo prvo prihvatljivo rješenje koje nam padne na pamet i zahtijeva od nas da potražimo veći broj mogućih rješenja. Prema iskustvu za rješenje nekog problema postoji beskonačno velik broj, čak međusobno vrlo različitih rješenja. Nijedan konvencionalni princip rada, princip djelovanja, tehnološki uvjetovano


23

konstruktivno oblikovanje, ne može biti smatrano trajno optimalnim. Nove tehnologije, novi materijali, novi postupci, nova fizikalna i matematička saznanja omogućuju nove kombinacije, bolja rješenja. U konstrukcijskim biroima, međutim, postoje iskusni stručnjaci, ali nažalost i preduvjerenja, konvencije, želje za što manjim rizicima, što otežava traženje novih i ekonomičnijih rješenja.

Međutim, ne treba s apstrahiranjem ići dalje nego što je potrebno za uočavanje biti problema. Potrebno je svakako nešto vježbe da bi se neki problem uspio na pravi način i uz pravu mjeru apstrahirati. Pri novim konstrukcijama, kao i pri konstrukcijama kojima se proširuju postojeće, potrebno je svjesno se udaljiti od konvencionalnog. Potreban i dostatan stupanj apstrakcije ovisi isključivo o stupnju poopćavanja konstruktivnog zadatka. Čim se neki problem postavlja specijalnije, time će se i bit problema moći manje apstraktivno formulirati..

Prvi korak u procesu traženja rješenja sastoji se u analizi liste zahtjeva u odnosu na traženu funkciju i bitne uvjete, kako bi se jasnije osvijetlila suština. Općevažeće i bitno nekog zadatka može se dobiti analizom funkcionalne ovisnosti i bitnih uvjeta zadatka uz postepeno apstrahiranje, postupajući pri tome ovako:

prvi korak: misaono napustiti sve želje iz liste zahtjeva,

drugi korak: napustiti i one zahtjeve koji bitno ne utječu na funkciju i bitne uvjete,

treći korak: kvantitativne podatke pretvoriti u kvalitativne,

četvrti korak: proširiti spoznaju,

peti korak: problem formulirati općenito.

Primjena navedenih koraka apstrakcije posebno je prikladna kada treba naći nova rješenja:

* razvoj potpuno novih tehničkih sistema bez uzora (razvojne konstrukcije),

* poboljšanje poznatih tehničkih sistema (dalji razvoj ili poboljšana konstrukcija),

* pronalaženje mogućnosti primjene postojećih tehničkih sistema.


24

UskladištenjeKontrolaProizvodnjaTransportPriprema

Kamion

Transportnakareta

Stroj zazatvaranjevreća

Skladištepunih vreća

Skladištepraznih vreća

1

A3

11 1

Silos zamiješanje

krme

2

2

42

5

3

6

1

7

2

1 mjesto gdje se pripremaju prazne vreće za punjenje,

1 operacija u kojoj radnik A uzima prazne vreće i donosi ih do otvora za punjenje,

1 operacija u kojoj radnik A puni vreće krmivom, regulirajući količinu dotoka,

2 operacija u kojoj radnik A predaje napunjenu vreću radniku B,

1 operacija u kojoj radnik B kontrolira težinu i dovodi je na propisanu težinu,

3 operacija u kojoj radnik B predaje krmom napunjenu i izvaganu vreću na stroju za zavarivanje

2 operacija u kojoj radnik C savija kraj vreće i zatvara vreću na stroju za zatvaranje (spajanje),

4 operacija u kojoj radnik D uzima vreće sa stroja za spajanje i prebacuje na transportnu karetu,

5 napunjenu transportnu karetu odvozi radnik D u skladište,

6 radnici E i F istovaruju vreće s transportne karete i slažu u skladišni prostor

1 skladišni prostor na kojem su vreće uskladištene do trenutka prodaje,

7 operacija u kojoj radnici E i F uskladištene vreće utovaraju u transportne karete i odvoze ih do kamiona potrošača iutovaruju ih

B

C

D

F

E

Slika 14. Postojeće stanje punilišta silirane hrane iz silosa


25

2 Faza A

Silos za miješanje krme

Faza B

Složene pune vreće u skladište

Formuli-ranje problema

3


Faza B

Vreće s krmom na kamionu

6 Faza A


Faza B

Krma smještena u spremište kupca

8 Faza A

Proizvodnja krme

Faza B

Krma smještena u spremište kupca

Slika 15. Dio formulacije problema otpreme krme prema slici 14

Ako je npr. zbog ekonomskih razloga izričit cilj konstruktivne razrade:

* tražiti rješenja prema uzorcima poznatih rješenja,

* koristiti se podlogama već izvedenih konstrukcija,

* rješenja sastavljena od već konstruktivno razrađenih elemenata,

* tehnički sistemi oblikovani isključivo od ugradbenih jedinki,

tada manje apstraktna formulacija može imati prednost.

Krick daje lijep primjer (slika 14) u kojem pokazuje kako se sistematskim proširenjem dolazi do potpuno drukčije formulacije zadatka, a time i do mogućnosti rješenja problema. Krickov primjer preuzimaju i Pahl i Beitz.


26

Na slici 14. prikazana je situacija punilišta mješavine krme iz silosa. Na slici je opisano postojeće stanje, a zadatak je pokušati popraviti to postojeće stanje.

Pogrešno bi bilo, polazeći od određenog stanja, nastojati poboljšati pojedine probleme, prikazane kao funkcije. Takvim bi postupkom bila ispuštena korisnija i možda ekonomičnija rješenja. Zapravo, potrebno je pokušati formulirati glavni problem, ispitivanjem i kontrolom je li moguće proširenje, ili promjena prvotne formulacije zadatka.

U načelu postoje sljedeće mogućnosti formulacije zadatka s tim da se stupanj apstrakcije postepeno povećava:

1. punjenje vreća potrebnom količinom krme, vaganje, zatvaranje, slaganje vreća napunjenih krmom,

2. predaja krme izravno iz silosa (A) u vrećama na skladište,

3. predaja krme izravno iz silosa (A) u vrećama na otpremni kamion,

4. predaja krme iz silosa izravno na otpremni kamion (bez vreća),

5. predaja krme iz silosa izravno na neko transportno sredstvo,

6. predaja krme iz silosa u spremnik potrošača,

7. predaja komponenti krme iz spremnika komponenti u spremnike komponenti krme potrošača,

8. predaja krme s polja proizvođača izravno potrošaču.

Dio formulacija od 1 do 8 prikazan je na slici 15.

Iz formulacija od 1 do 8 vidi se da ni približno nije ostalo na ranije predviđenom. Išlo se sistematski na proširenje, udaljavanje od predviđenog i pokušala se stvoriti mogućnost za nalaženje novih rješenja. Pri tome je formulacija 8 najopćenitija, najmanje vezana za postojeće stanje.

Osnovni problem zadatka je isporuka količinski ispravne, kvalitetno i ekonomično transportirane krme od proizvođača kupcu. Problem, prema tome, nije ni u vrsti vreća, slaganju i transportu, u skladištu. Širina formulacije zavisi o graničnim uvjetima. Formulacija 8 u konkretnom slučaju neće biti uopće prihvatljiva zbog tehničkih, vremenskih i klimatskih uvjeta. Potrošnja krme nije, naime, vezana baš za žetvu, pa potrošač neće htjeti, zbog razumljivih razloga, preuzeti godišnju količinu - čak i ako se zanemari činjenica da bi u tom slučaju sam potrošač morao miješati krmu. Transport krme na poziv potrošača izravno iz silosa može biti i programiran. Takvo rješenje problema bilo bi svakako ekonomičnije od međuskladišta i transporta manjih količina krme u vrećama. Na sličan način vrši se transport betona velikim potrošačima, od centralne betonske stanice specijalnim vozilima na gradilišta.


27

Primjerom je pokušano pokazati kako se sve obuhvatnijom i prikladnijom formulacijom, sistemskim proširivanjem ili promjenama otvaraju putevi za nova i bolja rješenja.

1.2.10. PRIMJER METODIČKOG KONCIPIRANJA NOVOG PROIZVODA

Ovdje će se pokušati prikazati mogućnost metodičke razrade koncepcijske varijante stroja koji treba da kontinuirano zatvara za otpremu pripremljene i napunjene kartonske kutije pomoću samoljepljive trake, alternativno s gornje i donje strane ili samo s gornje strane. Kutije koje treba zatvarati samoljepljivom trakom mogu biti različite veličine, pa stroj mora imati mogućnosti zatvaranja kutija različitih veličina. I kapacitet stroija mora se dati mijenjati. Postupak koncepcijske razrade stroja bit će prikazan pomoću onih radnih koraka iz kojih proizlazi suština metodičkog postupka koncipiranja novog proizvoda, tako da će neki potrebni koraci biti samo spomenuti.

Prvi korak: Raščišćavanje zadatka

Ovaj korak obuhvaća prikupljanje svih potrebnih informacija koje definiraju sam problem kojeg zadatkom treba riješiti (učešće pojedinih veličina kutija, učestalost promjene veličina, samoljepljiva traka, itd.).

Drugi korak: Razrada liste zahtjeva

Zbog mogućnosti kasnijeg vrednovanja pojedinih varijanti rješenja, a i zbog lakšeg donošenja odluke, lista zahtjeva treba da sadrži: zahtjeve koji moraju biti bezuvjetno ispunjeni (conditio sine qua non), zahtjeve i minimalne zahtjeve bez čijeg ispunjenja ne može biti prihvaćeno nijedno rješenje (učinak, kvalitet, itd.); želje koje prema mogućnostima moraju biti uzete u obzir.

Treći korak: Razrada funkcionalne strukture

Samoljepljivom trakomzatvarati kontinuirano

kartonske kutije

Energija

Kutije

zalijepljene

Signali

Energija

Kutije

nezalijepljene

Signali

Slika 16. Ukupna funkcija


28

Do ukupne funkcije dolazi se općenito postupnom apstrakcijom liste zahtjeva, ispuštanjem želja i onih zahtjeva koji na funkciju neposredno ne utiču. Nakon toga potrebno je kvantitativne podatke pretvoriti u kvalitativne i reducirati ih samo na one bitne, a na kraju problem formulirati općenito. U konkretnom slučaju riječ je o takozvanom toku materijala s potrebom dovođenja energije i signala (slika 16).

Iz samog zadatka, a isto tako i iz ukupne funkcije mogu se u konkretnom slučaju, uočiti vrlo lako potrebne parcijalne funkcije: samoljepljivu traku u obliku svitka ili namotanu na bubanj treba u odgovarajućoj dužini odmotati s bubnja ili svitka, odrezati i lijepiti na kartonske kutije koje se kontinuirano kreću. Budući da su kartonske kutije prizmatična oblika, nalijepljena traka imat će oblik slova U.

Na slici 17 je prikazan opisani tok lijepljenja kartonskih kutija, a na slici 18 parcijalne funkcije povezane u funkcionalnu strukturu.

Svitak samoljepljive trake

Odrezivanje

Nalijepljena traka na gornjem dijelu kutijeu obliku slova U

Kartonska kutija

Nalijepljena traka na donjem dijelu kutije u obliku slova U

Slika 17. Tok lijepljenja kartonskih kutija

Samoljepljivom trakomzatvarati kontinuirano

kartonske kutije

Energija

Kutijezalijepljene

Signali

Energija

Kutije

nezalijepljene

Signali

Odvijanjesamoljepljive

trake s bubnja ilisvitka

Energija

Materijal

Signali

Energija

Materijal

Signali

Odrezivanjesamoljepljive

trake na potrebnudužinu

Pritiskivanjetrake na

kartonsku kutiju(naljepljivanje)

Osiguranjegibanja kutija

Slika 18. Funkcionalna struktura


29

Dovođenje energije predviđeno je za svaku parcijalnu funkciju: odmatanje trake, gibanje noževa, pritiskivanje trake (naljepljivanje) i pomicanje kartonskih kutija. Isto tako su i signali, koji treba da ograniče odmatanje trake, hod noževa pri rezanju, pritisak i trajanje naljepljivanja, brzinu kontinuiranog gibanja trake, predviđeni za svaku parcijalnu funkciju.

Četvrti korak: Traženje i izbor principa rješenja

Za pronalaženje principa rješenja može se koristiti različitim metodičkim mogućnostima. U konkretnom slučaju pokušat će se, koristeći se tzv. metodom sistematskog traženja pomoću sheme klasifikacije potražiti rješenje u samoj parcijalnoj funkciji. Odmatanje samoljepljive trake s bubnja može se vršiti kontinuirano i/ili diskontinuirano. Hvatište sile koja treba da osigura odmatanje trake s bubnja može biti na raznim mjestima, i to: na početku, u sredini, na kraju, na početku i sredini, na početku i na kraju, te u sredini i na kraju. Budući da samoljepljiva traka mora biti odrezana, funkcija smještaja hvatišta sile odmotavanja potrebno je promatrati u odnosu na položaj noža za rezanje trake.

Shema po sistemu klasifikacije mogla bi prema opisanom imati oblik:

Način gibanja Značajke vezane uz gibanje samoljepljive trake

Položaj hvatišta sile Kontinuirano Diskontinuirano

Kontinuirano i diskontinuirano

Diskontinuirano i kontinuirano

Na početku

itd.

U sredini

Značajke vezane uz hvatište

Na kraju itd.

Na početku i sredini

Na početku i na kraju

U sredini i na kraju

Slika 19. Shema po metodi sistematskog traženja pomoću sistema klasifikacije


30

Neke od mogućnosti rješenja dobivene po metodi sistematskog traženja pomoću sistema klasifikacije prikazane su na slici 20.

Noževi

Hvatište sile na početku.Gibanje trake kontinuirano ilidiskontinuirano

Hvatište sile u sredini.Gibanje trake kontinuirano ilidiskontinuirano

Hvatište sile na kraju. Gibanjetrake kontinuirano ilidiskontinuirano

Hvatište sile na početku i nakraju

Hvatište sile na početku i usredini

Hvatište sile u sredini i nakraju

Gibanje trake kontinuirano ili diskontinuirano, kontinuirano i diskontinuirano, diskontinuirano i kontinuirano

Slika 20. Neke mogućnosti rješenja odmotavanja trake i hvatišta sile

Odluku o tome koji će se od prikazanih mogućih principa rješenja odmotavanja samoljepljive trake i hvatišta sile pri odmotavanju još se ne može donijeti. Morfološka kutija, u koju se za svaku funkciju unose analizom utvrđena i prihvatljiva rješenja, treba da pruži mogućnost za izbor odgovarajućih varijanti rješenja.

Nož

Traka

Gibanje Nož

Traka

Gibanje

Podloga

Nož

Traka

Gibanje

Nož

Slika 21. Principi rezanja samoljepljive trake

Ostaje da se pronalaze i analiziraju mogući principi za rezanje samoljepljive trake. Mogu se varirati načini rezanja i načini kretanja noževa. Kao načini rezanja mogu doći u obzir: slobodni rez, rez nožem, rez škarama. Kretanje


31

noževa može pri tome biti: translacijsko, rotacijsko, njihajno. Nož može, međutim, i stajati. U tom slučaju pokreće se traka. Princip slobodnog reza, reza nožem i reza škarama, prikazan je na sljedećoj slici.

Principi mogućih gibanja noža: Translacijsko, rotacijsko, njihajno i gibanje trake kad nož stoji prikazano je na slici 22.

I ovdje su, kao i ranije, pokazana moguća principijelna rješenja parcijalne funkcije rezanja samoljepljive trake. Morfološka kutija, u koju se za svaku funkciju unose ona rješenja za koja analiza pokaže da ima izgleda za uspjeh, omogućit će kombinaciju većeg broja varijanti koncepcijskih rješenja.

Za parcijalnu funkciju "Pritiskivanje trake na kartonsku kutiju (naljepljivanje)", treba na istom principu pokušati naći i proanalizirati pronađena principijelna rješenja koja omogućuju izvršenje navedene parcijalne funkcije. Mogućnosti, logično, kao obično, ima mnogo. To je i bit metodičkog konstruiranja, spoznaja da za svaki problem postoji teoretski gotovo beskonačno velik broj mogućih rješenja. Sva se ta rješenja, međutim, ne mogu upotrijebiti. Među njima ima samo stanovit broj onih kojima se može uspješno koristiti.

Nož

Traka

Translatorno gibanje noža

Nož

Traka

Rotaciono gibanje noža

Nož

Traka

Njihajno gibanje noža

Nož

Traka

Nož stoji, gibanje dobivatraka

Slika 22. Principi mogućih gibanja noža

Treća parcijalna funkcija funkcionalne strukture za koju treba potražiti i naći odgovarajući broj rješenja koja omogućuju izvršenje parcijalne funkcije glasi: "Pritiskanje trake na kartonsku kutiju (naljepljivanje)".

S malo razmišljanja, ali i na drugi način (pomoću podataka iz literature, patentnih spisa, prospekata proizvođača ovakvih vrsta strojeva, razgovora s kolegama iz struke - metoda dijaloga, podataka iz kataloga, brainstorming itd.), može se doći do ideja o mogućnostima rješenja gornje parcijalne funkcije. U konkretnom slučaju primijenjena je, kao i ranije, metoda sistematskog rješenja pomoću sheme klasifikacije.

Samoljepljiva traka može se pritiskati na kartonsku kutiju pokretljivim valjkom, pomoću klina, pomoću pokretljivih žigova.


32

Kartonska kutija

Traka

Pokretljivi valjak

Kartonska kutija

Traka

Klin

Kartonska kutija

Traka

Pokretljivi žigovi

Slika 23. Principi mogućnosti naljepljivanja samoljepljive trake na kartonsku kutiju

Analiziramo li tri date mogućnosti za naljepljivanje (pritiskanje) samoljepljive trake na kartonsku kutiju, lako ćemo moći zaključiti da od tri date mogućnosti, s obzirom na zahtjeve koji proizlaze iz zadatka (kutije različitih dimenzija, naljepljivanje trake s gornje i s donje strane kutije, alternativno samo s gornje), najviše izgleda za uspjeh ima rješenje s pokretljivim valjkom. Primijenimo li metodu sistematskog traženja rješenja pomoću sheme klasifikacije, utvrdit ćemo da:

1. Broj valjaka može biti različit (jedan, dva i više).

2. Kretanje valjaka može biti različito (s dodatnim pogonom, odnosno bez dodatnog pogona).

3. Spajanje ručica na kojima su valjci može biti kruto, elastično, a isto tako ručice ne moraju biti spojene.

Na slici 24. prikazane su neke od mogućih varijanti, a može ih biti kudikamo više. Naprimjer, varijanta s dva valjka može biti s dodatnim pogonom i bez dodatnog pogona, a svaka od ovih kombinacija može imati ručice na kojima se nalaze valjci kruto ili elastično povezane, odnosno, da između ručica ne postoji nikakva veza.

Četvrta parcijalna funkcija za koju treba potražiti i naći odgovarajuće mogućnosti rješenja jeste: "Osiguranje pomicanja kartonskih kutija". Osiguranje pomicanja kutija može biti omogućeno silom ili oblikom. I sila i oblik, pomoću kojeg se omogućuje gibanje, mogu djelovati ispod ili sa strane kutija. Između pogonskog dijela sila može da se prenosi pomoću veze silom. Isto tako pomicanje transportne trake, bilo da je smještena odozdo ili sa strane, može biti kontinuirano, ali se isto tako može mehanizam gibanja, pošto je završeno lijepljenje jedne kutije, vraćati po novu kutiju. Gibanje nije u tom slučaju kontinuirano. Iz navedenog je vidljivo da se sistematskim traženjem rješenja pomoću sheme klasifikacije omogućava veliki broj kombinacija.


33

Kartonska kutija

Dva valjka bez dodatnog pogonskog valjka,ručice su međusobno kruto vezane

Dva valjka ručice elastičnopovezana s dodatnim pogonomvaljaka

Jedan valjak s dodatnimpogonom valjka

Kartonska kutija Kartonska

kutija

Kartonska kutija

Slika 24. Varijacije mogućnosti naljepljivanja samoljepljive trake pomoću valjaka

Slika 25. Principijelne mogućnosti pomicanja kartonskih kutija

Na slici 25. prikazane su neke od mogućih kombinacija. Slika 25.a prikazuje da se kutija transportira ne vezom pomoću oblika, nego vezom pomoću sile. Težinom same kutije, a u dijelu na kojem se vrši naljepljivanje i silom kojom se tlači na samoljepljivu traku, stvara se sila trenja dovoljna da se kartonska kutija kreće brzinom trake. Transportna traka smještena je ispod kutije, pomicanje kutije je kontinuirano, a i veza između pogona i transportne trake je vezana silom. (znači trenjem između transportnih valjaka i transportne trake).

Na sllici 25.b vidljivo je da se kartonska kutija transportira pomoću veze oblikom. Transportna traka smještena je sa strane. Gibanje kartonske kutije je kontinuirano, a veza između transportnih valjaka i transportne trake je i ovdje veza sile.

Na slici 25.c prikazana je mogućnost da se transport kartonske kutije ne vrši kontinuirano kao ranije. Veza između transportnog sredstva i kutije je veza silom. Transportno sredstvo je smješteno sa strane. Transportno sredstvo je kutnik s nazubljenim bridom (ozubnica). U ozubnicu zahvaća čelnik koji vrši oscilacijska gibanja, pomićuči ozubnicu naprijed i natrag. Kod povratnog gibanja ozubnice se razmiču da bi pomičući se ponovo zahvatile novu kutiju, pomićuči je naprijed.


34

Peti korak: Izrada morfološke kutije

U morfološku kutiju na slici 26. unesena su samo neka od mogućih rješenja pojedinih parcijalnih funkcija. Već je ranije rečeno da metodički postupak predviđa da se pored pronalaženja mogućih rješenja za pojedine parcijalne funkcije vrši obavezno i analiza pronađenih rješenja. U uži izbor rješenja pojedinih parcijalnih funkcija ulaze samo ona za koje je analiza pokazala da ih treba uzimati u obzir. U morfološkoj kutiji prikazanoj na slici 26. vršeno je variranje mogućih rješenja samo jedne funkcije. Samo ta varijacija dala je šest različitih mogućnosti rješenja.

Šesti korak: Analiza varijanti dobivenih morfološkom kutijom; izrada grubih skica

Metodički postupak predviđa dalje da se varijante dobivene pomoću morfološke kutije analiziraju prema određenim kriterijima pomoću kojih se utvrđuje je li rješenje prihvatljivo u odnosu na zadatak; ispunjava li zahtjeve iz "liste zahtjeva"; postoje li mogućnosti za realizaciju varijante; postoje li znanja koja dozvoljavaju da se predložena varijanta realizira itd. To omogućava da se odbace one varijante za koje ne postoji dovoljno sigurnosti da varijanta pruža izglede za uspjeh. Za varijante koje prema prethodnoj analizi pokazuju izglede za uspjeh, izrađuju se grube skice pojedinih rješenja u grubom mjerilu. Nakon toga vrši se vrednovanje svake pojedine skicom prikazane varijante i odabire se ona koja vrednovanjem pokazuje najveću "dobrotu". U konkretnom slučaju varijanta 1.2 - 2.3 - 3.1 - 4.1 trebala bi da ima izgled približan prikazanom na slici 27.

Pri tome treba napomenuti da se metodički mogu isto tako razvijati i mogućnosti principijelnog rješenja za ležištenje svitka, odnosno bubnja. Isto tako potrebno je metodički riješiti i mogućnost prilagođavanja stroja na različite dužine kartonskih kutija.

Za parcijalnu funkciju "rezanje samoljapljive trake na potrebnu dužinu", riješen je do sada samo način rezanja i gibanja noževa. Ostaje da se metodički razradi način pogona noževa i način kako silu rezanja prenijeti na nož.

O mogućnosti korištenja računara u fazi koncipiranja novog proizvoda objavljen je članak pod naslovom "Znanost o konstruiranju - nova znanstvena oblast", u časopisu "Strojarstvo", br.6, 1980. godine.

Rješenje Moguća rješenja


35

Funkcija 1 2 3 4

1 Odvijanje samoljepljive trake sa svitka i položaj hvatišta sile

Hvatište sile na kraju svitka, gibanje trake kontinuirano

Hvatište sile u sredini i na kraju svitka, gibanje trake kontinuirano

Hvatište sile na kraju svitka, gibanje trake diskontinuirano

Hvatište sile u sredini i na kraju svitka, gibanje trake diskontinuirano

2 Rezanje samoljepljive trake na potrebnu dužinu

Slobodni rez. Rezanje pomoću noža koji stoji, gibanje dobiva traka

Slobodni rez. Rezanje pomoću noža koj dobiva translacijsko gibanje

Slobodni rez. Rezanje pomoću noža koji dobiva njihajno gibanje

Itd.

3 Pritiskivanje trake na kartonsku kutiju (naljepljivanje)

Dva valjka bez dodatnog pogona valjaka i bez veze između poluga pojedinih valjaka

Dva valjka ručice elastično vezane s dodatnim pogonom valjka

Jedan valjak s dodatnim pogonom valjka

Itd.

4 Osiguranje gibanja kutija

Kontinuirano gibanje kartonske kutije. Veza između kartonske kutije i transportnog sredstva je veza oblikom. Transportno sredstvo smješteno je dolje.

Gibanje kartonske kutije nije kontinuirano. Veza između kartonske kutije i transportnog sredstva je veza silom. Transportno sredstvo smješteno je sa strane. Transport se vrši ozubnicom i čelnikom.

Gibanje je kontinuirano. Veza između transportnog sredstva i kutije je veza oblikom. Transportno sredstvo smješteno je sa strane

Itd.

Moguće varijante rješenja između samo malog broja rješenja pojedinih funkcija unesenih u morfološku kutiju:

Varijanta 1: 1.1 - 2.1 - 3.1 - 4.1

Varijanta 2: 1.1 - 2.2 - 3.1 - 4.1

Varijanta 3: 1.1 - 2.3 - 3.1 - 4.1

Varijanta 4: 1.2 - 2.1 - 3.1 - 4.1

Varijanta 5: 1.2 - 2.2 - 3.1 - 4.1

Varijanta 6: 1.2 - 2.3 - 3.1 - 4.1

Slika 26. Morfološka kutija


36

Slika 27. Gruba skica jednog od mogućih rješenja

1.2.11. PRIMJER KONCEPCIJSKOG RJEŠENJA FAMILIJE AUTOMATSKIH PUMPI ZA OTPADNE VODE ODREĐENOG KAPACITETA

ZADATAK:

Potrebno je koncipirati familiju automatskih pumpi određenog kapaciteta za otpadne vode koje se iz ekoloških razloga moraju prije puštanja u rijeku očistiti.

RJEŠENJE:

Prvo je potrebno nacrtati skicu opšte funkcije.

BLACK BOX

Energija

Voda naizlazu "B"

Voda naulazu "A"

Signali

Slika 28. Opšta funkcija pumpe za otpadnu vodu


37

Zatim se formira lista zahtjeva (lista graničnih uslova), koja je prikazana na slici 29:

Lista zahtjeva Zahtjevi Želje

1. Funkcija: prečišćavanje otpadnih voda *

2. Podaci važni za funkciju postrojenja

* tečnost

* zapremina Vt = ..

* gustina t = ..

* viskoznost t = ..

* temperatura t = ..

* hemijske osobine

*

3. Radna svojstva:

* brzina v = ..

* radni vijek pumpe T = ..

* lako rukovanje

* što veća pouzdanost u radu

*

4. Ergonomska svojstva:

* komandni uređaj prema propisima

* bezbjedno rukovanje

*

5. Izgled - bez specijalnih zahtjeva

6. Isporuka *

7. Rok izrade *

8. Tehnološka svojstva *

9. Ekonomski parametri *

Slika 29. Lista zahtjeva

Nakon ovoga pristupa se predviđanju parcijalnih funkcija - izvršilaca parcijalnih funkcija, odnosno izradi takozvane morfološke matrice.


38

Parcijalna funkcija Princip izvršenja parcijalne funkcije (PF) i izvršilac parcijalne funkcije (IF)

1. Dovesti energiju PF

Energetski mašinski sistem

IF

Elektromotor, SUS motor, pneumatski motor

2. Povećati pritisak PF

Izvršni mašinski sistem

IF Centrifugalna pumpa, jednokrilna pumpa, vrtložna pumpa, ...

3. Mjeriti nivo PF

Posebni (mjerni) mašinski sistem

IF

Plovak, živina sklopka, tlačna kutija

4. Regulisanje procesa PF

Posebni mjerni sistem (regulator)

IF Regulator broja okretaja (varijator), el. sklopka, regulacioni ventil

Slika 30. Morfološka matrica

Sada za koncipiranje idejnog rješenja usvajamo razne varijante:

Elektromotor - vrtložna pumpa - živina sklopka - el. sklopka

Elektromotor - jednokrilna pumpa - živina sklopka - el. sklopka

Elektromotor - centrifugalna pumpa - plovak - el. sklopka

Dakle, za mašinski sistem za prečišćavanje otpadnih voda možemo izabrati mnogo varijanti rješenja. Da bi se odlučili za jednu varijantu i pristupili njenom projektiranju, treba izvršiti vrednovanje funkcija i njihovih izvršilaca i na osnovu toga izabrati optimalnu varijantu u odnosu na tehničke i ekonomske kriterije.

Za procjenjivanje se koriste sljedeće ocjene:


39

ne zadovoljava

jedva prihvatljivo

dovoljno

dobro

vrlo dobro

Varijante

Kriteriji 1 2 3 4 Idealno

Radni učinak 3 4 5 5 5

Kvalitet pogonske grupe

4 3 4 4 5

Rukovanje 4 4 4 4 5

Tehnički Održavanje 4 4 5 3 5

Pouzdanost 4 4 4 4 5

Jednostavno upravljanje

4 3 5 3 5

Zaptivanje 3 3 5 5 5

26 25 32 28 35

Tehnička koordinata 0.74 0.71 0.91 0.80 1

Broj i složenost dijelova

5 4 5 3 5

Ekonomski Složenost montaže 4 4 4 3 5

Utrošak energije 4 4 5 4 5

13 12 14 10 15

Ekonomska koordinata

0.85 0.8 0.93 0.66 1

Slika 31. Vrednovanje funkcija

Usvaja se varijanta koja ima veću vrijednost i koja je bliža liniji od 45. Broj i vrstu kriterija utvrđuje konstruktor subjektivno.


40

yi 31

2

4

xi

Najboljerješenje

Slika 32. Izbor varijante rješenja


41

2. STANDARDIZACIJA U MAŠINSTVU

U eri brzog tehničkog napretka stalno se usavršavaju mašine, aparati i drugi mehanizmi industrije. Razvija se masovna lančana proizvodnja, u kojoj dominiraju mehanizacija i automatizacija do kompjuterskog konstruiranja mašinskih dijelova, sve u cilju podmirivanja potreba i kvalitetnog snabdijevanja robama uz sniženje cijena koštanja. Napredak u tehnici i nauci doprinosi podizanju životnog standarda radnika i napretku te zemlje.

Standardizacija se zasniva na savremenim iskustvima industrije, na rezultatima naučnih istraživanja i na analizi statističkih podataka o proizvodnji i eksploataciji gotovih proizvoda. Standardizacija je opštepriznata kao najefikasniji element progresa u mnogim oblastima ljudske djelatnosti i aktivnosti.

CILJEVI STANDARDIZACIJE

Ciljevi mogu biti opšti i specijalni. U opšte ciljeve spada opšta racionalizacija, a u specijalne specifikacija uslova, tipizacija i unifikacija, kao i specifikacija proizvodnih postupaka.

PREDNOSTI STANDARDIZACIJE

Standardizacija omogućuje:

a) zamjenjivost standardnih elemenata, što omogućava najbrže popravke dotrajalih mašina zamjenom elemenata;

b) specijalizaciju preduzeća, što vodi jeftinijoj i kvalitetnijoj proizvodnji; zaštitu potrošača, jer nije upućen samo na na jednog proizvođača;

c) uklanja svaku dvosmislenost, jer daje isključivo jednoznačna rješenja za određene karakteristike;

d) podstiče grupnu i serijsku proizvodnju zbog široke primjenljivosti standardnih dijelova;

e) omogućuje i garantuje optimalan kvalitet proizvoda (to je onaj kvalitet koji u potpunosti zadovoljava potrošača, odnosno onaj najviši kvalitet koji je još dovoljno jeftin).


42

SPECIFIKACIJA

Specifikacija je sažeta lista svih uslova koje mora da ispunjava neki proizvod, materijal ili proces proizvodnje. Specifikacija može biti standard, dio standarda ili može postojati nezavisno od standarda.

TIPIZACIJA

Tipizacija je oblik standardizacije, a sastoji se u redukciji broja različitih tipova proizvoda u okviru nekog određenog niza, i to broja koji odgovara i zadovoljava potrebe u određeno vrijeme. Ona je u stvari ograničenje i određivanje tipskih modela smještenih u standardne serije.

UNIFIKACIJA

Unifikacija je takođe oblik standardizacije, a sastoji se u kombiniranju jedne, dvije ili više specifikacija, tako da su dobiveni proizvodi zamjenjivi u upotrebi. Unifikacija je u stvari određivanje i izbor najpogodnijih elemenata i sklopova

SPECIJALIZACIJA

Krajnji cilj standardizacije i tipizacije je specijalizacija. Specijalizacija je termin koji u užem smislu ne spada u termin standardizacije. Ako se upotrijebi, to znači postupak po kojem se posebne proizvodne jedinice koriste za proizvodnju samo jednog određenog asortimana proizvoda.

Osnovni cilj standardizacije u industriji je da precizira i razjasni elemente koji omogućuju proizvodnju u skladu sa željama potrošača i mogućnostima proizvođača na ekonomsko-racionalnoj osnovi. Ostali ciljevi standardizacije su:

a) Ušteda u pogledu ljudskih napora, materijala, snage itd. u proizvodnji, razmjeni robe, transportu, upotrebi itd.

b) Zaštita interesa proizvođača odgovarajućim kvalitetom proizvoda i usluga

c) Bezbjednost i zaštita ljudi, zdravstveni uslovi rada

Standardizacija se prvo počela razvijati u okvirima pojedinih velikih fabrika mašinogradnje. Tako su nastali interni standardi. Potreba da se unutar jedne države vrši razmjena proizvoda dovela je do nacionalnih standarda. Nacionalni standardi su se pojavili prvo u jakim industrijskim zemljama i sa daljim razvojem privrede i industrije u svijetu bilo ih je sve više. Potreba da se u cijelom svijetu osigura saradnja na području standardizacije, dovela je do osnivanja međunarodne organizacije za standardizaciju koja se naziva ISO (International Standardising Organisation), koja daje međunarodne preporuke koje sve učlanjene zemlje poštuju i uzimaju u obzir, iako te preporuke nisu obavezujuće.

Treba napomenuti da je korist od primjene standarda nepobitna i lako uočljiva, ali i zakonski obavezna. Ako nešto nije obuhvaćeno nacionalnim


43

standardom, treba primijeniti najpogodniji međunarodni stanard. Osnovne oznake standarda nekih zemalja su:

ÖNORM - Austrija

ABS - Belgija

DIN - Njemačka

NF - Francuska

UNI - Italija

JIS - Japan

ANSI - USA

BS - Velika Britanija

ГОСТ - Sovjetski Savez

2.1. STANDARDNI BROJEVI

Teoretska baza savremene standardizacije su standardni brojevi. Suština sistema standardnih brojeva sastoji se u sljedećem: ako se u svakom slučaju pri izboru parametara koji karakterišu proizvodnost, snagu, nosivost, broj obrtaja, mjerila i druge pokazatelje, pridržavamo strogo određenog reda brojeva, samim tim ostvarujemo saglasnost parametara svakog posebnog proizvoda ili grupe proizvoda sa svim proizvodima vezanim za taj proizvod (proizvode).

Naprimjer, ako konstruktori željezničkih vagona pri određivanju nosivosti vagona usvoje neki određeni red brojeva: 25, 40, 63 i 100 t, konstruktori teretnih automobila usvoje red brojeva za nosivost: 2,5, 4, 6,3 i 10 t, te ako građevinari naprave skladišta zapremine 250, 400, 630 i 1000 t, onda je očito da su stvoreni uslovi za najbolje iskorištenje transportnih sredstava, pretovarnih sredstava i skladišnog prostora. Iz ovoga se takođe vidi da standardizacija mora biti sveobuhvatna, inače neće dati rezultate (standardizacija npr. samo nosivosti vagona ne daje rezultate).


44

2.1.1. STUPNJEVI STANDARDNIH BROJEVA

Kako tehnička praksa zahtijeva niz brojeva koji kod malih veličina imaju finije stupnjevanje, a kod većih grublje, onda prirodni red cijelih pozitivnih brojeva ne dolazi u obzir za primjenu u proizvodnji mašina i njihovih dijelova. Aritmetički red brojeva takođe nije dobar pošto je stupnjevanje ravnomjerno i kod malih i kod velikih brojeva.

Na slikama 33 i 34 grafički su prikazani aritmetički i geometrijski red brojeva, koji na očigledan način daju predstavu o cjelishodnosti i prednostima uotrebe geometrijskog reda nad aritmetičkim redom u tehničkoj praksi, kao i kod stvaranja redova sa više vrijednosti.

redni broj

10192837465564738291

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Slika 33. Aritmetički red

Već 95 % osnovnih pojmova, dijelova i veličina u tehnici (pritisci, brojevi okretaja, prečnici cijevi i remenica, širine remena i dr.) je do sada utvrđeno prema geometrijskom redu brojeva. Između mnogih geometrijskih redova brojeva izabrani su oni koji najbolje ispunjavaju opšte zahtjeve prakse. Ti zahtjevi su sljedeći:

a) Faktor stupnjevanja susjednih članova reda treba biti približno jednak

b) Procentualni porast (opadanje) članova reda treba biti približno jednak

c) Članovi reda treba da se ponavljaju bez obzira na decimalni zarez

d) Brojevi 1, 10, 100 trebaju biti sadržani u redu


45

e) Članovi geometrijskog reda sa više članova trebaju biti sadržani u geometrijskom redu sa više članova

Na osnovu nabrojanih zahtjeva postavljeni su redovi standardnih (normalnih) brojeva. To su pogodno odabrani geometrijski redovi (progresije brojeva koji služe da se po njima izaberu vrijednosti veličina) koji služe za svjesno ograničavanje slobodnog izbora veličina.

redni broj

102030405060708090

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 12,516 20

2531,5

4050

63

80

100

Slika 34. Geometrijski red

Zbog svog stalnog procentualnog rasta (opadanja), redovi standardnih brojeva omogućuju postizanje najpodesnijeg asortimana proizvoda uz najracionalniju proizvodnju. Njihovom primjenom uvodi se red u sistematizaciji i tehničkom poslovanju (tipizaciji), olakšava rad konstruktora i omogućuje smanjenje broja alata, mjerila i naprava za mjerenje i kontrolu koji su u upotrebi.

Redove standardnih brojeva treba upotrebljavati gdje god je to moguće, te postepeno ali sigurno prilagođavati proizvode i sredstva za proizvodnju standardnim brojevima.


46

2.1.2. REDOVI STANDARDNIH BROJEVA

Pravilan red pogodan za proizvodnju, naročito u mašinstvu, dobija se kad se za niz brojeva usvoji geometrijska progresija brojeva, kod kojih je odnos susjednih brojeva (faktor stupnjevanja) uvijek približno jednak. U svakom području decimalnih brojeva, brojevi se ponavljaju između dekada 1...10, 10...100, 100...1000, što znači da je u svakoj dekadi postavljeno četiri reda standardnih brojeva (prema standardu JUS, a usvojeno prema preporuci ISO R3 iz 1953. godine). Za faktore stupnjevanja (za porast i opadanje redova brojeva) izabran je 10r , a eksponent korijena (r) je jednak broju članova reda. Tako su prema tom standardu i preporuci usvojeni sljedeći faktori stupnjevanja standardnih brojeva:

q5 = 1,6 (red R5; r = 5)

q10 = 1,25 (red R10; r = 10)

q20 = 1,12 (red R20; r = 20)

q40 = 1,06 (red R40; r = 40)

q80 = 1,03 (red R80; r = 80)

Standardi brojevi se dobiju zaokruživanjem izračunatih vrijednosti. U tabeli 1 dati su standardni brojevi osnovnih redova. Ova tabela obuhvata standardne brojeve osnovnih redova za decimalni interval od 1 do 10. Standardni brojevi za intervale izvan ovog se dobiju množenjem tabličnih vrijednosti pozitivnim odnosno negativnim cijelim stepenima broja 10.

Prilikom korištenja redova treba prvenstveno koristiti red R5, pa zatim ostale redove. Red R80 je tzv. izuzetni red i treba ga izbjegavati, ako je to moguće. Postoje i tzv. podešeni redovi, koji se označavaju sa slovom "a" u imenu reda, a dobiju se tako što se standardni brojevi još "jače zaokruže". Naprimjer, red R5 sadrži brojeve: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10, a podešeni red Ra5 brojeve: 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10.

Za česte brojeve u tehnici mogu se uzeti njihove približne vrijednost, a da budu standardni brojevi:

2 144

0 81

01 10

2 125 10 315 315

3151

20

216 1 2 5

2

3 3

, , ,

, , ,

, ,71 , " ,

g

g g


47

Ako se iz nekog od osnovnih redova standardnih brojeva uzme svaki drugi, treći, ..., p-ti član dobija se izvedeni red standardnih brojeva. On se označava oznakom odgovarajućeg osnovnog reda iz kojeg je izveden i, odvojeno kosom razlomačkom crtom, brojem 2, 3, ..., p, naprimjer:

Red R5/2 sadrži svaki drugi član reda R5,

Red R10/3 sadrži svaki treći član reda R10.

Ako u jednom redu standardnih brojeva brojevi rastu, red se naziva rastući red, a ako opadaju, opadajući red.

Rastući redovi su naprimjer:

R20: 1,12 - 1,25 - 1,40 - 1,60

R20/3: 1,0 - 1,4 - 2,0

Opadajući redovi su naprimjer:

R20/-1: 1,60 - 1,40 - 1,25 - 1,12

R20/-3: 2,0 - 1,4 - 1,0

Opšta oznaka osnovnih i izvedenih standardnih brojeva može se prikazati izrazom:

Rr/p (...10n/r...) (2.1)

gdje je:

R - oznaka za red standardnih brojeva

r = 5, 10, 20, 40 (80) eksponent faktora porasta i oznaka osnovnog reda

p - korak izvedenog reda, (koje članove osn. reda treba uzeti u izvedeni red)

n - pozitivan ili negativan cijeli broj ili nula.

Dakle, ako je:

p = + 1 dobiće se rastući osnovni red

p = - 1 dobiće se opadajući osnovni red

p > + 1 dobiće se rastući izvedeni red

p < - 1 dobiće se opadajući izvedeni red


48

Tabela 1. Standardni brojevi osnovnih redova (prema JUS A.A0.001) R5 R10 R20 R40 Nazivni brojevi

1,00 1,00

1,25

1,00

1,12

1,25

1,40

1,00

1,06

1,12

1,18

1,25

1,32

1,40

1,50

0

1

2

3

4

5

6

7

1,60 1,60

2,00

1,60

1,80

2,00

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

2,12

2,24

2,36

8

9

10

11

12

13

14

15

2,50 2,50

3,15

2,50

2,80

3,15

3,55

2,50

2,65

2,80

3,00

3,15

3,35

3,55

3,75

16

17

18

19

20

21

22

23

4,00 4,00

5,00

4,00

4,50

5,00

5,60

4,00

4,25

4,50

4,75

5,00

5,30

5,60

6,00

24

25

26

27

28

29

30

31

6,30 6,30

8,00

6,30

7,10

8,00

9,00

6,30

6,70

7,10

7,50

8,00

8,50

9,00

9,50

32

33

34

35

36

37

38

39

10,00 10,00 10,00 10,00 40


49

3. TOLERANCIJE

Zbog nesavršenosti ljudi, mašina, alata i materijala, mora se pretpostaviti da će u proizvodnji mjere izrađenih predmeta više ili manje odstupati od željenih mjera. Zbog toga je, ako namjena dijelova to zahtijeva, potrebno odrediti granice unutar kojih ta odstupanja smiju biti. Na taj način se određuju dozvoljena odstupanja stvarnih od željenih mjera. Veličine dozvoljenih odstupanja stvarnih mjera zavise od namjene dijelova, s jedne strane, i od visine proizvodnih troškova s druge strane. Područja u kojim se nalaze granice dozvoljenih odstupanja mjera nazivaju se područje tolerancije ili tolerancija.

Ako se kritički posmatraju mašinski elementi i njihove dimenzije, lako se može doći do zaključka da sve dimenzije ne treba raditi sa istom tačnošću. Naprimjer, na nekom vratilu je potrebno sa velikom tačnošću uraditi ona mjesta koja će doći u ležište, ili na koja će doći zupčanici, kaišnici ili slični elementi. Ostale dimenzije tog vratila mogu se raditi s manjom tačnošću, jer to neće uticati na funkcionalnost vratila.

Koje mjere je potrebno tolerisati i kolika mogu biti dozvoljena odstupanja pojedinih mjera, zavisi od namjene pojedinih dijelova, njihove funkcije, načina izrade, broja komada koji se izrađuju, te od tačnosti strojeva, alata, pripremaka i naprava za pritezanje. Tolerišu se, u pravilu, samo:

a) Mjera čija bi netačnost mogla ugroziti ispravnost funkcije ili upotre-bljivost dijelova. To su uglavnom one mjere od kojih zavisi međusobni odnos dva ili više dijelova.

b) Mjere važne pri montaži, od kojih zavisi izmjenljivost dijelova, tako da dijelove ne treba međusobno prilagođavati.

c) Važne mjere za proizvodni postupak, čijim neodržavanjem ne bi mogle biti održane i neke druge važne mjere.

d) Mjere čije neodržavanje ima uticaj na kvalitetu proizvoda (npr. težina, čvrstoća, volumen, nosivost, i dr.).

Međunarodni savez nacionalnih društava za standardizaciju ISO (Inter-national Federation of the National Standardising Organisation) izradio je ISO sistem tolerancija, koji sadrži načela za određivanje dozvoljenih odstupanja za razne stupnjeve tačnosti izrade i za razne vrste međusobnog nalijeganja dijelova u sklopu. ISO sistem tolerancija sadrži i brojčane vrijednosti dozvoljenih odstupanja, utvrđene za određeni broj stupnjeva tačnosti izrade, za određene


50

položaje polja tolerancije (dozvoljenih odstupanja), u odnosu prema nazivnoj mjeri.

JUS standardi za tolerancije dužinskih mjera, koji se koriste u nedostatku bosanskohercegovačkih standarda, u potpunosti su u skladu sa ISO sistemom tolerancija. Određivanje dozvoljenih odstupanja po JUS standardima obavezno se mora primjenjivati u mašinogradnji, naravno, samo onda kada postoji potreba za tolerisanjem mjera. Određivanju tolerancija izvan standardima određenog područja dozvoljenih odstupanja, može se pristupiti samo izuzetno, kada neko standardno odstupanje ne odgovara uslovima ili ako to traži upotreba strane dokumentacije. Isto važi i za tolerancije nalijeganja.

d=D

As T

r

T0

a ga s

d s

Ds

d d

d g

D

d

D

g

a d Ad

Ag

rupa

osovina

Slika 35. Odstupanja na osovini i na rupi

Na slici 35 prikazan je položaj osovine u rupi. U vezi sa oznakama na slici 35, moguće je dati sljedeće definicije:

d - nazivna mjera osovine,

D - nazivna mjera rupe,

dd - najmanja (minimalna) mjera osovine,

dg - najveća (maksimalna) mjera osovine,

Dd - najmanja (minimalna) mjera rupe,

Dg - najveća (maksimalna) mjera rupe,

ds - stvarna mjera osovine,

Ds - stvarna mjera rupe,

To - visina tolerancijskog polja osovine, To = dg - dd,


51

Tr - visina tolerancijskog polja rupe, Tr = Dg - Dd,

ag - gornje nazivno odstupanje za osovinu, ag = dg - d,

ad - donje nazivno odstupanje za osovinu, ad = dd - d,

Ag - gornje nazivno odstupanje za rupu, Ag = Dg - D,

Ad - donje nazivno odstupanje za rupu, Ad = Dd - D,

as - stvarno odstupanje za osovinu, as = ds - d,

As - stvarno odstupanje zarupu, As = Ds - D

Nazivna mjera služi kao osnova za definisanje graničnih mjera i odstupanja. To je mjera koja se unosi na crtež elementa i dobivena je proračunom ili konstruktivnim izvođenjem elementa ili sklopa. Pri grafičkom prikazivanju, nazivna mjera je označena nultom linijom (linijom nultog odstupanja). Ako je nulta linija povučena horizontalno, pozitivna odstupanja se nalaze iznad, a negativna ispod nulte linije.

Stvarna mjera se dobije mjerenjem pomoću mjernih instrumenata na već izrađenom predmetu. Stvarna mjera osovine označava se sa ds, a stvarna mjera rupe sa Ds.

Granične mjere su one dvije dozvoljene ekstremne mjere, između kojih se smije kretati stvarna mjera elementa, pri čemu su uključene i same granične mjere. Na slici 35. se vidi da su granične mjere: dg (gornja) i dd (donja) za osovinu, a Dg (gornja) i Dd (donja) za rupu.

Pri mašinskoj obradi skidanjem strugotine, i izradi osovine, prvo se dođe do gornje granične mjere dg i ta mjera se naziva dobrom mjerom. Ako se osovina i dalje obrađuje, dolazi se do donje granične mjere dd i ta mjera se zove loša mjera. Ako se i ta mjera pri obradi pređe, osovina (element) se mora odbaciti (škart). Kod rupe dobra mjera je Dd (donja granična mjera), a loša mjera Dg (gornja granična mjera).

Nazivno odstupanje je algebarska razlika između granične mjere i nazivne mjere (u području tolerancija, odstupanje je uvijek algebarska razlika između neke mjere i nazivne mjere). Odstupanja se označavaju slovom "A" (za osovinu), odnosno slovom "a" za rupu, a mogu biti gornje, donje i stvarno.

Tolerancija je razlika između gornje granične mjere i donje granične mjere, odnosno apsolutna vrijednost algebarske razlike između gornjeg i donjeg odstupanja. Tolerancija spoljne mjere označava se sa To (osovina), a tolerancija unutrašnje mjere sa Tr (rupa).

Tolerancijsko polje je područje ograničeno gornjim i donjim odstupanjem. Stvarna mjera osovine mora ležati u tolerancijskom polju osovine, a stvarna mjera rupe u tolerancijskom polju rupe.


52

a0 = ada0 = agPozitivnoodstupanje

Negativnoodstupanje

Nulta linija

Nazivnamjera

ab

ccd

de ef f

fg

g h

j j S

k m n p r s

t

u

v

x

y

z

za zb

Slika 36. Položaji tolerancijskih polja za osovine

A0 = AgA0 = AdPozitivnoodstupanje

Negativnoodstupanje

Nulta linija

A

Nazivnamjera

BC

CD

DE

EF F

FG G H J J S

K M N P R S

T

U

V

X

Y

Z Z

A

ZB

Slika 37. Položaji tolerancijskih polja za rupe

ISO sistem tolerancija i nalijeganja definiše položaj tolerancijskog polja u odnosu na nultu liniju, jednim ili u izvjesnim slučajevima sa dva slova, i to velikim slovima za rupe, a malim slovima za osovine. Položaj tolerancijskog polja iste oznake u odnosu na nultu liniju je funkcija nazivne mjere. Slika 36 prikazuje odgovarajuće položaje tolerancijskih polja za datu nazivnu mjeru u određenom području nazivnih mjera za osovine, a slika 37 za rupe.

Sljedeći položaji tolerancijskih polja se koriste za oblast nazivnih mjera do 500 mm:

* za osovine: a, b, c, cd, d, e, ef, f, fg, g, h, j, js, k, m, n, p, r, s, t, u, v, x, y, z, za, zb, zc


53

* za rupe: A, B, C, CD, D, E, EF, F, FG, G, H, J, JS, K, M, N, P, R, S, T, U, V, X, Y, Z, ZA, ZB, ZC

Tolerancijska polja osovina a...g leže uvijek ispod nulte linije, polje h leži na nultoj liniji, polje j obuhvata nultu liniju, polje k leži na ili iznad nulte linije (zavisno od kvaliteta),a polja m...z leže iznad nulte linije. Tolerancijska polja rupa A...G leže uvijek iznad nulte linije, polje H leži na nultoj liniji, polje J obuhvata nultu liniju, polja K, M i N obuhvataju, leže na ili ispod nulte linije (zavisno od kvaliteta) i polja P...Z leže ispod nulte linije.

Za oblast od 500 do 3150 mm, koriste se položaji:

* za osovine: d, e, f, g, h, js, k, m, n, p, r, s, t, u

* za rupe: D, E, F, G, H, Js, K, M, N, P, R, S, T, U

Brojčane vrijednosti tolerancija su propisane po ISO propisima, u zavisnosti od nazivne mjere. ISO sistem tolerancija predviđa 18 različitih stupnjeva tačnosti izrade proizvoda određenih kvalitetom tolerancije. Tih 18 kvaliteta tolerancija mora zadovoljiti sve potrebe svih područja proizvodnje, od valjanja i kovanja do fine mehanike i mjerila. Osnovne tolerancije određene kvalitete označene su sa IT: IT01, IT0, IT1, IT2, ..., IT16.

Tabela 2. Odstupanja tolerancijskih polja od nulte linije za osovine

Tol. polje Odstupanje Područja nazivnih mjera [mm]

a* Znak 10-18 18-30 30-50 50-80 80-100

f ag - 16 20 25 30 36

g ag - 6 7 9 10 12

h ag - 0 0 0 0 0

j5, j6 ad - 3 4 5 7 9

j7 ad - 6 8 10 12 15

k4 - k7 ad + 1 2 2 2 3

<k3, >k7 ad + 0 0 0 0 0

m ad + 7 8 9 11 13

n ad + 12 15 17 20 23

Oznaka tolerancije se sastoji od slova i brojeva. Slovom se označava položaj polja tolerancije u odnosu prema nultoj liniji, a brojem veličina polja tolerancije (naprimjer h7, N9, i sl.). Tako se tolerirana mjera označava brojčanom oznakom nazivne mjere, slovom koje označava položaj polja tolerancije i brojem koji označava kvalitet (naprimjer 50 h6 za osovinu ili 70 H7 za rupu). Vrijednosti


54

odstupanja za neka tolerancijska polja data su u tabeli 2 za osovine, odnosno u tabeli 3 za rupe.

Tabela 3. Odstupanja tolerancijskih polja od nulte linije za rupe

Tol. polje Odstupanje Područja nazivnih mjera [mm]

A* Znak 10-18 18-30 30-50 50-80 80-100

F Ad + 16 20 25 30 36

G Ad + 6 7 9 10 12

H Ad + 0 0 0 0 0

j6 Ag + 6 8 10 13 16

J7 Ag + 10 12 14 18 22

J8 Ag + 15 20 24 28 34

K7 Ag - 6 6 7 9 10

K8 Ag - 8 10 12 14 16

M7 Ag - 0 0 0 0 0

preko M8 Ag - 7 8 9 11 13

N7 Ag - -5 -7 -8 -9 -10

preko N8 Ag - 0 0 0 0 0

Tabela 4. Veličine tolerancijskih polja za rupe i osovine, izražene u mikrometrima (1m = 0.001 mm)

Područje nazivnih mjera [mm]

Kvalitet iznad 10

do 18

iznad 18

do 30

iznad 30

do 50

iznad 50

do 80

iznad 80

do 120

2 2 2,5 2,5 3 4

3 3 4 4 5 6

4 5 6 7 8 10

5 8 9 11 13 15

6 11 13 16 19 22

7 18 21 25 30 35

8 27 33 39 43 54

9 43 52 62 74 87

10 70 84 100 120 140


55

3.1. SISTEMI I VRSTE NALIJEGANJA

3.1.1. NALIJEGANJE

Nalijeganje (dosjed) je odnos dva dijela jednog sklopa (osovine i rupe), istih nazivnih mjera, koji proizlazi iz razlike njihovih stvarnih mjera prije sklapanja.

Oznaka nalijeganja u ISO sistemu tolerancija, sastoji se od nazivne mjere i oznake tolerancijskog polja unutrašnje i vanjske mjere (rupe i osovine), a obilježava se, naprimjer, 40 H7/s6 ili 120 H8/d10.

3.1.2. VRSTE NALIJEGANJA

Nalijeganje može biti labavo, neizvjesno (prelazno) i čvrsto. Labavo nalijeganje je ono kod kojeg je moguće relativno pomjeranje dijelova, odnosno kod kojeg postoji zazor (zračnost) - osovina ne ispunjava rupu u potpunosti. Čvrsto nalijeganje je takvo kod kojeg su dijelovi spojeni tako da se ne mogu kretati nezavisno jedan od drugog, tj. kod kojeg postoji preklop - osovina je uvijek veća od rupe. Prelazno nalijeganje je ono kod kojeg se ne zna unaprijed hoće li se javiti zazor ili preklop, jer su tolerancije takve da se preklapaju. Slike 38, 39 i 40 prikazuju navedene vrste nalijeganja.

Sa slika 38, 39 i 40 se vidi da je labavo nalijeganje ono, kod kojeg je tolerancijsko polje rupe u potpunosti iznad tolerancijskog polja osovine. Čvrsto nalijeganje je ono kod kojeg je tolerancijsko polje rupe u potpunosti ispod tolerancijskog polja osovine, a neizvjesno je ono nalijeganje kod kojeg se tolerancijska polja osovine i rupe preklapaju.

Najmanji zazor

Najveći zazor

Slika 38. Labavo nalijeganje


56

Najveći preklop

Najveći zazor

Slika 39. Prelazno nalijeganje

Najmanjipreklop

Najveći preklop

Slika 40. Čvrsto nalijeganje

3.1.3. SISTEMI NALIJEGANJA

Sistem ISO tolerancija daje mogućnost izbora velikog broja različitih kombinacija tolerancijskih polja rupa i osovina. Da bi se u tome uveo red i smanjio broj kombinacija za praktičnu upotrebu, stvoreni su sistemi po kojima se podešava osovina prema rupi ili rupa prema osovini. Tako se usvaja jedan od sklopnih elemenata kao jedinstven po svojoj toleranciji za cijeli niz nalijeganja (sklopova), a tolerancija i položaj tolerancijskog polja drugog sklopnog elementa određuju se prema namjeni nalijeganja. Prema ISO sistemu, nalijeganja se mogu ostvariti u sistemu jedinstvene rupe i u sistemu jedinstvene


57

osovine. U sistemu jedinstvene rupe za sve vrste nalijeganja, rupa ostaje ista, a mijenja se mjera osovine. U sistemu jedinstvene osovine, za sve vrste nalijeganja osovina ostaje ista, a prema vrsti nalijeganja mijenja se mjera rupe. Na slici 41 prikazan je sistem jedinstvene rupe, a na slici 42 sistem jedinstvene osovine. U praktičnoj primjeni, više se koristi sistem jedinstvene rupe, jer je precizna izrada rupe uvijek komplikovanija od precizne izrade osovine.

čvrstonalijeganje

neizvjesno nalijeganjelabavo nalijeganje

Slika 41. Sistem jedinstvene rupe

čvrstonalijeganje

neizvjesno nalijeganjelabavo nalijeganje

Slika 42. Sistem jedinstvene osovine

Sistem jedinstvene rupe se primjenjuje kod: alatnih mašina, motora SUS, lokomotiva, parnih mašina, automobila, željezničkih vagona, avionskih motora, presa, kompresora, ventilatora itd. Sistem jedinstvene osovine se primjenjuje kod sklopova za transmisiju, tekstilnih mašina, pribora u finoj mehanici, električnih mašina, transportnih uređaja i gdje god se primjenjuju vučeni materijali. Prednost sistema jedinstvene rupe je u tome što zahtijeva manje reznog alata (npr. razvrtača), a nedostatak je to što nije pogodan za obradu vučenih materijala.


58

Budući da je broj kombinacija tolerancijskih polja rupa i osovina veliki, nije opravdano ni ekonomično koristiti sve moguće kombinacije, pa standardi ISO i JUS daju preporuke za tolerancijska polja i nalijeganja. Standard JUS M.A1.140 daje preporučena tolerancijska polja. Standardi JUS M.A1.200 (za sistem jedinstvene rupe) i JUS M.A1.201 (za sistem jedinstvene osovine) daju tri stepena prioriteta za korištenje nalijeganja. Prema tom standardu nalijeganja prvog stepena prioriteta u sistemu jedinstvene rupe su: H7/f7, H7/h6, H7/n6, H7/r6, H8/f7, H8/h9, H8/u8 (iznad 24 mm), H8/x8 (do 24 mm), H9/h9 i H11/h9.

Nalijeganja prvog stepena prioriteta u sistemu jedinstvene osovine su: F8/h6, H7/h6, F8/h8, H8/h8, C11/h9, D10/h9, E9/h9, F8/h9, H8/h9, C11/h11, D10/h11.

3.2. TOLERANCIJE SLOBODNIH MJERA

Na detaljnom crtežu treba razlikovati sljedeće vrste mjera:

a) Funkcionalne mjere,

b) Montažne mjere,

c) Tehnološke mjere,

d) Slobodne mjere.

Funkcionalne mjere su u vezi sa kinematskom shemom mašine, kao i mjere dobivene proračunom, mjere koje obezbjeđuju određenu masu elementa ili radnu karakteristiku, te one mjere koje obezbjeđuju nalijeganja.

Montažne mjere su one mjere koje su važne za sklapanje elemenata (jednokratno sklapanje ili višekratno sklapanje i rasklapanje, te zamjena dotrajalog dijela).

Tehnološke mjere su one mjere koje obezbjeđuju pričvršćivanje dijelova na alatnoj mašini ili stavljanje u stezni alat.

Slobodne mjere su one mjere koje nemaju uticaj ni na nalijeganje, ni na zamjenljivost dijelova, tj. nemaju poseban značaj ni u pogledu funkcije, ni montaže, ni obrade.

U principu se tolerišu samo funkcionalne, montažne i tehnološke mjere, ali ni slobodne mjere se ne mogu izrađivati izvan nekih dozvoljenih granica odstupanja. Standard JUS M.A1.410 propisuje tolerancije slobodnih mjera ostvarenih obradom skidanjem strugotine za četiri stepena tačnosti (tabela 5).

Tabela 5. Tolerancije slobodnih mjera (mjere su u mm)


59

Područje nazivnih mjera

stepen tačnosti

0,5 do 3 3 do 6 6 do 30 30 do 120 120 do 315 315 do 1000 1000 do 2000

2000 do 4000

fini 0,05 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,5 0,8

srednji 0,1 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,2 2

grubi 0,15 0,2 0,5 0,8 1,2 2 3 4

vrlo grubi - 0,5 1 1,5 2 3 4 6

Navedeni standard daje vrijednosti dozvoljenih odstupanja za mjere uglova i za poluprečnike zaobljenja i oborene ivice. Na svakom detaljnom crtežu treba da stoji napomena o tome koji standard i koji stepen tačnosti se traži za slobodne mjere.

3.3. TOLERANCIJE OBLIKA I POLOŽAJA

Kao što se neka dužinska mjera ne može uraditi apsolutno tačno, nije moguće apsolutno tačno uraditi ni neki geometrijski oblik, kao ni ostvariti apsolutnu paralelnost osa ili površina. Uzroci koji dovode do pojave odstupanja od geometrijskog oblika ili od predviđenog uzajamnog položaja površina i osa u osnovi su isti kao uzroci odstupanja kod dužinskih mjera.

Na slici 43 je karikirano prikazano odstupanje oblika prema geometrijski idealnom obliku.

Idealni oblik vratila Stvarni oblik vratila(karikirano)

Odstupanje odcilindričnog oblika

Slika 43. Odstupanje od cilindričnog oblika

Tolerancije oblika i položaja u znatnoj mjeri poskupljuju proizvodnju i treba ih primjenjivati samo tamo gdje to zahtijeva funkcija komada ili ekonomičnost


60

proizvodnje, i to samo ako su veće ili manje od tolerancije prostora. Kad se već moraju primijeniti ove tolerancije, treba ih primjenjivati uz princip MAKSIMUMA MATERIJALA, gdje god je to moguće, jer se time znatno smanjuje škart proizvodnje. Ove tolerancije se moraju u svakom slučaju označiti na crtežu.

Zona tolerancije je zona u kojoj moraju ležati sve tačke jednog geometrij-skog elementa (tačka, linija, površina, središnja ravan). U zavisnosti od tole-rancije oblika i položaja i njene oznake na crtežu, zona tolerancije može biti:

* površina obuhvaćena krugom,

* površina između dva koncentrična kruga,

* površina između dvije paralelne linije,

* prostor obuhvaćen kuglom,

* prostor obuhvaćen cilindrom,

* prostor između dvije paralelne ravni i

* prostor obuhvaćen kvadrom.

Tolerancija oblika ograničava odstupanja jednog elementa od njegovog geometrijski idealnog oblika. One određuju zonu tolerancije u kojoj posmatrani element mora ležati i u kojoj smije imati proizvoljan oblik.

Tolerancije položaja obuhvataju tolerancije pravca, mjesta ili tačnosti obrtanja. One ograničavaju dozvoljena odstupanja od geometrijski idealnog položaja dvaju ili više elemenata u odnosu jedan prema drugom, od kojih je jedan utvrđen kao referentni element. Ako je potrebno, može se odrediti i više referentnih elemenata (naprimjer ležišni rukavci osovine). Tolerancija položaja za jedan geometrijski element određuje zonu tolerancije u kojoj taj element mora ležati i ako nije data tolerancija oblika, može imati proizvoljan oblik.

Na slici 44 prikazani su geometrijski oblici jednog mašinskog elementa koji se tolerišu.

Referentni elementi su polazna baza za funkciju i izradu dijela kod primjene tolerancije položaja. Referentni element treba biti najmanje tako tačnog oblika kao zahtijevana tolerancija položaja tolerisanog elementa. Po potrebi treba propisati toleranciju oblika. Odstupanje oblika referentnog elementa treba odrediti prema "uslovu minimum".


61

Središnja linija

Izvodnica cilindričnogomotača

Izvodnica koničnogomotača

Ravna kružna površina

Površina koničnog omotača

Ravna prstenastapovršina

Torusna površina

Površina cilindričnog omotača

Površina odsječka kugle

Slika 44. Geometrijski elementi komada koji se tolerišu

Teorijske mjere su one mjere koje su potrebne kao podatak za geometrijski idealan položaj tolerancijske zone nagiba, lokacija i često za tolerancije oblika površina i linija. Za ove mjere ne važe tolerancije slobodnih mjera.

8

18

28

40

Slika 45. Primjer označavanja teorijskih mjera

Dozvoljena odstupanja izrađenog komada ograničena su upisanim tolerancijama oblika i položaja. Ove se mjere ograđuju tankom linijom u obliku pravougaonika. Primjer takvog označavanja prikazan je na slici 45.

Mjera uslov minimuma je ona granična mjera koja daje minimum materijala izrađenog dijela. To je najmanja mjera osovine i najveća mjera rupe.


62

Pri mjerenju odstupanja od oblika granične linije i površine moraju biti tako postavljene prema stvarnom obliku, da se dobije najmanje odstupanje. Ako se o ovome ne vodi računa, onda se dobiju veća odstupanja, što dovodi do pogrešnih rezultata mjerenja (h2 na slici 46).

Pri mjerenju odstupanja od položaja važi uslov minimuma za referentni element. Ako je referentni element osa, treba izrađeni komad izravnati prema cilidru koji referentnu osu obuhvata s najmanjim mogućim prečnikom tog cilindra (r1 na slici 47). Ako je referentni element jedna ravna površina, treba izrađeni komad izravnati prema paralelnim ravnima koje referentnu ravan obuhvataju s najmanjim mogućim rastojanjem između tih ravni.

h1

h2 > h1

h2

Slika 46. Postavljanje graničnih linija za odstupanje od oblika

r1

r2

Slika 47. Odstupanje oblika za kružni presjek

Odstupanja oblika, prema JUS M.A1.240, mogu biti:

* Odstupanje od pravca (nepravost)

* Odstupanje od ravni (neravnost)

* Odstupanje od kruga (nekružnost)

* Odstupanje od cilindra (necilindričnost)


63

* Odstupanje od oblika bilo kojeg profila

* Odstupanje od oblika bilo koje površine

Odstupanje od pravca definisano je cilindrom unutar kojeg se moraju nalaziti sve tačke tolerisane linije.

Dozvoljeno odstupanje od ravnosti definisano je prostorom između dvije paralelne ravni, između kojih se moraju nalaziti sve tačke tolerisane površine.

Dozvoljeno odstupanje od kruga definisano je površinom između dva koncentrična kruga u istoj ravni. Linija profila elementa ne smije nijednom tačkom izlaziti izvan tog kružnog prstena.

Dozvoljeno odstupanje od cilindra definisano je prostorom između dva koaksijalna cilindra. Površina omotača elementa ne smije nijednom tačkom izlaziti izvan prostora između tih cilindara.

Dozvoljeno odstupanje od oblika bilo kojeg profila definisano je površinom između dvije obvojnice krugova čiji centri leže na liniji koja ima zahtijevani geometrijski oblik. Dozvoljeno odstupanje od oblika bilo koje površine definisano je prostorom između dvije obvojnice kugli čiji centri leže na površini koja ima zahtijevani geometrijski oblik.

Slika 48. Dozvoljeno odstupanje od oblika bilo kojeg profila

Odstupanja položaja, prema JUS M.A1.242 i JUS M.A1.243, mogu biti:

* Po pravcu:

* odstupanje paralelnosti

* odstupanje upravnosti

* odstupanje ugla nagiba

* Po mjestu:


64

* odstupanje lokacije pojedinih osa i površina

* odstupanje centričnosti i aksijalnosti

* odstupanje simetričnosti

* Po položaju obrtnih površina:

* radijalno bacanje (radijalna izbočenost obrtanja)

* aksijalno bacanje (aksijalna izbočenost obrtanja)

Standardni simboli za označavanje odstupanja oblika i položaja na crtežima, prema standardu JUS M.A1.243, su dati u tabeli 6.

Oznake tolerancija oblika i položaja sastoje se od strelice koja pokazuje površinu odnosno liniju koja se toleriše i okvira u koji se unosi simbol vrste odstupanja i veličina tolerancije. Referentna površina (referentni element) u odnosu na koji se odstupanje druge površine toleriše označava se referentnim trouglom (slika 49).

Ako se podatak vrijednosti tolerancije odnosi na osu i središnju ravan, kao na tolerisani element, tolerisana se strelica postavlja u pravcu kotne linije, na jednu od strelica kotne linije. Međutim, ako je tolerisani element neka površina ili linija, ali ne i osa, referentna strelica mora biti pomaknuta od kotne strelice u stranu.

0,1 0,1

Slika 49. Primjeri označavanja tolerancija oblika i položaja

Kod tokarenih dijelova često se daju kombinirana odstupanja obika i položaja (aksijalno i radijalno bacanje), jer se vrlo jednostavno mogu mjeriti. Kod zadavanja dopuštenih odstupanja oblika i položaja potrebno je misliti na međuovisnost tolerancija mjera, oblika i položaja. Obično se tolerancije položaja i oblika ograničavaju na približno polovinu tolerancije mjere.


65

Tabela 6. Označavanje tolerancija oblika i položaja Vrsta tolerancije Osobina koja se toleriše Simbol Tolerancije oblika Pravost

Ravnost

Kružnost

Cilindričnost

Oblik linije

Oblik površine

Tolerancije položaja Tolerancije pravca Paralelnost

Upravnost

Ugao nagiba

Tolerancije mjesta Lokacija

Koncentričnost i

koaksijalnost

Simetričnost

Tolerancije tačnosti obrtanja

Tačnost obrtanja

Kružnost obrtanja

Ravnost obrtaja

3.4. SLOŽENE TOLERANCIJE

Ako je jedna mjera ovisna o drugoj, naprimjer, mjera "x" na slici 50, odnosno ako se nekoliko dijelova naslanja jedan na drugi, kontrolom tolerancija mora se utvrditi međusobni uticaj tolerancija. Za računsko utvrđivanje jedne granične mjere ovisne o drugim mjerama vrijedi:

* Ako je neka mjera zbir pojedinačnih mjera, onda je najveća mjera zbir pojedinačnih najvećih mjera, a najmanja mjera zbir pojedinačnih najmanjih mjera.

* Ako je mjera razlika dviju pojedinačnih mjera, onda se najveća mjera dobije iz razlike gornje granične mjere (veće mjere) i donje granične mjere (manje mjere). Najmanja mjera dobije se obratnim postupkom.

* Razlika graničnih mjera neke mjere, sumarna tolerancija, jednaka je zbiru pojedinačnih tolerancija.


66

* Ako se potrebna mjera dobiva sabiranjem i oduzimanjem pojedinih mjera (mjera x na slici 50), korisno je izraditi lanac mjera (slika 51). Počinje se i završava crtanjem lanca mjera na traženoj mjeri i utvrđuje pozitivan, odnosno negativan smjer.

40 + 0,1

10 0,0520 + 0,01

x

45 - 0,1

Slika 50. Međusobna zavisnost mjera

40 + 0,1 (-)

10 0,05 (+)20 + 0,01 (+)

x

45 - 0,1 (+)

Slika 51. Lanac mjera (za primjer slike 50)

Najveća mjera zavisne mjere dobije se sabiranjem gornjih graničnih mjera negativnih članova lanca mjera. Najmanja mjera dobije se obratnim postupkom.

Iz toga proizlazi za gornji primjer:

xg = 45,0 - 40,0 + 10,05 + 20,01 = 35,06

xd = 44,9 - 40,1 + 9,95 + 20,0 = 34,75

Tolerancija se tada dobiva iz T = xg - xd = 35,06 - 34,75 = 0,31.

Tolerancija je jednaka sumi svih pojedinačnih tolerancija:


67

T = 0,1 + 0,1 + 0,1 + 0,01 = 0,31

Sabiranje tolerancija može zavisnoj mjeri dati približno velike vrijednosti sumarne tolerancije i konstruktor ih mora uzeti u obzir.

* U zatvorenom lancu mjera bar jedna mjera mora biti netolerirana.

* Mjera s malom tolerancijom koja je funkcionalno uvjetovana, ne smije se određivati s većim brojem toleriranih mjera (slika 52)

5 - 0,1

Tolerancija je tražena izfunkcionalnih razloga

5 + 0,02 12 + 0,02

22 - 0,06

LOŠE

5 12 - 0,1

22

DOBRO

Slika 52. Uska tolerancija uvjetovana funkcijom mašinskog elementa

Dok se kod pojedinačnih dijelova sumarna tolerancija dobije na navedeni način, kod većeg broja dijelova koji se nalaze jedan pored drugog, uvijek dolazi do stvaranja sumarne tolerancije. Radi toga nije moguće na vratilu fiksirati mašinski dio pomoću uskočnika bez zazora. Slika 53 prikazuje takav slučaj. Isto tako aksijalni zazor kod većeg broja dijelova na vratilu može biti znatna. Ako, na primjer, tolerancija 6 pojedinačnih dijelova na vratilu iznosi 0 mm, a tolerancija sigurnosnog prstena (kojih takođe ima 6) 0,06 mm, onda će sumarna tolerancija biti čak 0,36 mm. Tako veliki uticaji tolerancija su nedopustivi. Uticaj sumarne tolerancije na dopuštenu mjeru može se ograničiti zadržavanjem istog konstruktivnog oblikovanja samo pomoću uskih (i istovremeno skupih) tolerancija pojedinačnih dijelova. Time se, doduše, ostvaruje izmjenljivost, ali troškovi izrade mogu jako porasti. Prema broju pojedinačnih dijelova koji su smješteni jedni pored drugih, kod postupka s minimalno maksimalnim mjerama, tolerancije moraju biti jako uske. Vjerovatnoća da će se kod više od triju dijelova koji su smješteni jedan pored drugog naći dijelovi s graničnim mjerama, vrlo je mala. Zato se za izračunavanje sumarne tolerancije mogu koristiti i statističke metode. Druga mogućnost za savladavanje sumarnih tolerancija, koja ne zahtijeva tako uske tolerancije, je upotreba izmjenljivosti grupe dijelova ili metoda kompenzacije. Kod metode izmjenljivosti grupe dijelova, svaki dio dobiva široka polja tolerancije. Dijelovi se mjere i grupišu tako da se ukupna željena mjera dobije u uskim granicama tolerancije. Kod metode kompenzacije vrši se prilagođavanje jednog dijela, po mogućnosti onog


68

koji se montira posljednji, tako da bi se postigla sumarna vrijednost ukupne vrijednosti u uskim granicama tolerancije.

21,2 + 0,1

Aksijalni zazor

1,2 - 0,06

20 - 0,1

Slika 53. Sumarna tolerancija kod većeg broja dijelova

3.5. PRINCIP MAKSIMUMA MATERIJALA

0,1 M

Slika 54. Princip maksimuma materijala

Mjera maksimum materijala je ona granična mjera koja daje maksimum materije izrađenog dijela. To je dakle, najmanja mjera rupe i najveća mjera osovine. Uslov maksimum materijala dozvoljava da se jedna tolerancija oblika i


69

položaja na crtežu prekorači i to za iznos razlike između mjere sprezanja i mjere maksimum materijala. Na crtežu se ovaj uslov označava velikim slovom M unutar kruga, iza brojčane vrijednosti tolerancije.

Na slici 54 dat je primjer tolerancije sa uslovom maksimuma materijala.

Mjera sprezanja je ona mjera geometrijski idealnog suprotnog dijela koji ima dužinu jednaku najmanje dužini površine nalijeganja posmatranog dijela i sa kojom se posmatrani dio bez prisile još uvijek može spregnuti.

Slobodno uklapanje elemenata u sklop zavisi od kombinacije odstupanja stvarnih dimenzija i odstupanja oblika ili položaja elemenata predmeta koji ulaze u sklop. Minimalni zazor pri sklapanju dobija se u slučaju kada se mjere elemenata nalaze na granici koja odgovara mjerama minimuma materijala, a pri tome su dozvoljene greške oblika i/ili položaja maksimuma.

Sklapanje može biti ostvareno čak i najnepovoljnijim dozvoljenim uslovima u pogledu dimenzionisanih tolerancija i tolerancija oblika i položaja - ako je dimenzionalna razlika obaju elemenata, od kojih se svaki nalazi iznad granice koja odgovara vrijednosti za maksimum materijala, jednaka najmanje ukupnoj toleranciji položaja.

Međutim, raspoloživi zazor za sklapanje je utoliko veći ukoliko su stvarne dimenzije elemenata koji se sklapaju više udaljene od granice maksimuma materijala i ukoliko su greške oblika i položaja više ispod maksimalne greške.

Otuda proizlazi da, ukoliko su stvarne dimenzije elemenata koji se spajaju više udaljene od granice maksimuma materijala, može za odgovarajući iznos biti prekoračena tolerancija oblika i položaja, bez opasnosti po mogućnosti sklapanja. Ovo povećanje tolerancije oblika i položaja na osnovu principa maksimuma materijala, koje se primjenjuje na osnovu ostvarene dimenzione tolerancije, kao i na osnovu ostvarene tolerancije položaja u izvjesnom slučaju ima svojih koristi za proizvodnju, ali to povećanje ne bi smjelo uvijek biti dopušteno sa gledišta funkcionalne ispravnosti.

Naprimjer, kod tolerancija položaja povećanje te tolerancije može biti dozvoljeno uopšte uzev za centralna rastojanja elemenata koji se sklapaju, kao što su rupe za svornjake ili čivije. U svim takvim slučajevima konstruktor treba da odluči da li će ili neće primjenjivati princip maksimuma materijala.

Ako se ovaj princip primijeni, onda uz odnosnu toleranciju oblika ili položaja treba upisati znak M (JUS M.A1.243).

Ovaj znak označava da je tolerancija upisana pored njega izabrana vodeći računa o granicama maksimuma materijala elementa ili elemenata koji se sklapaju. Ako je jedan element izrađen sa dimenzijom koja se nalazi između dimenzije koja odgovara maksimumu materijala, razumljivo je da ovo povećanje nikad ne prelazi vrijednosti dimenzionalne tolerancije elementa.


70

Važno je istaći da ovo povećanje tolerancije oblika i položaja može biti primijenjeno na jedan element sklopa ne obazirući se na suprotan element sa kojim se taj element sparuje.

NAPOMENA: Ako princip maksimuma materijala nije primijenjen (ili ne može biti primijenjen) na tolerancije oblika i položaja, onda se te tolerancije moraju uvažavati bez obzira na ostvarene mjere posmatranog elementa koji se sklapa. To znači da greške oblika ili položaja moraju biti konstruirane nezavisno. Ako je princip maksimuma materijala primijenjen, onda se greške položaja ili oblika mogu kontrolisati odgovarajućim kontrolnim mjerilima za tu namjenu.

3.5.1. PRIMJENA PRINCIPA MAKSIMUMA MATERIJALA

Konstruktori trebaju što više primjenjivati princip maksimuma materijala, gdje god je to moguće, jer time povećavaju dozvoljena odstupanja, a smanjuju škart i pojeftinjuju proizvodnju bez smanjenja kvaliteta proizoda.

Posebnu pažnju moraju obratiti kontrolori pri mjerenju odstupanja od oblika i položaja i primjene principa maksimuma materijala, jer pri kontroli neopravdano mogu biti škartirani dobri proizvodi.

Princip maksimuma materijala za tolerisani element

0,1 M

d M-d

S

d

Slika 55. Princip maksimuma materijala za tolerisani element

Ako upisana vrijednost tolerancije tolerisanog elementa smije biti prekoračena za apsolutnu vrijednost razlike između mjere sprezanja i mjere maksimuma materijala tog elementa, tad se primjenjuje princip maksimuma materijala.

Princip maksimuma materijala za referentni element

Ako upisana vrijednost tolerancije tolerisanog elementa smije biti prekoračena za apsolutnu vrijednost razlike između mjere sprezanja referentnog


71

elementa i mjere maksimuma materijala istog referentnog elementa, tad se primjenjuje princip maksimuma materijala.

AA M

d'M

-d' S

d'

Slika 56. Princip maksimuma materijala za referentni element

Princip maksimuma materijala za tolerisani i referentni element

Ako upisana vrijednost tolerancije tolerisanog elementa smije biti prekoračena za zbir apsolutne vrijednosti razlike između mjere sprezanja i mjere maksimuma materijala tolerisanog elementa s jedne strane i apsolutne vrijednosti razlike između mjere sprezanja i mjere maksimuma materijala referentnog elementa s druge strane, tad se može primijeniti princip maksimuma materijala na tolerisani i referentni element.

AA M

(dM

-dS)

+(d'

M-d

' S)

d'

0,1 M

Slika 57. Princip maksimuma materijala za tolerisani i referentni element

Primjena principa maksimuma materijala u vezi sa upravnošću

Primjena principa maksimuma materijala u vezi sa upravnošću prikazana je na slikama 58 i 59.


72

A

16 -0,02

0,04

A

A

16 -0,08

0,04 M

Slika 58. Princip maksimuma materijala - upravnost

Na slici 59 je prikazana čivija čija se osa mora nalaziti u granicama cilindrične tolerancijske zone, upravno na referentnu ravan A. Prečnik ove zone varira za 0,04 do 0,06, a prečnik čivije je 16 (maksimum materijala) do 15,98 (minimum materijala).

16,04

toler. zona 0,04normalna na referentnu

površinu

kontrolnik

referentna površina

16,04

toler. zona 0,06normalna na referentnu

površinu

kontrolnik

referentna površina

a) Materijal maks. prečnika 16,00 u kontaktu sa kontrolnikom; efektivna

upravnost 0,04

b) Materijal min. prečnika 15,98 u kontaktu sa kontrolnikom; efektivna

tolerancija 0,04

Slika 59. Provjera upravnosti kontrolnikom

Treba imati u vidu da kontrolno mjerenje (kontrolnik) kontroliše kombinaciju odstupanja upravnosti mjere prečnika. Prečnik čepa se mora nezavisno kontrolisati da bi se obezbijedilo da se tolerancijske granice ne prekorače. Treba imati u vidu da se tačnost položaja, tj. greške posmatranog dijela u odnosu na drugi dio sa kojim se sklapa u ovom primjeru ne postavlja.

Primjena principa maksimuma materijala u vezi sa pravnošću


73

10

-0,0

2

M0,01-

svornjak

Slika 60. Osa svornjaka se mora nalaziti u granicama cilindrično-tolerancijske zone, čiji prečnik varira od 0,01 do 0,03, a prečnik svornjaka varira

od 10,00 (maksimum materijala) do 9,98 (minimum materijala)

Prema slici 60 primjena principa maksimuma materijala u odnosu na pravnost je data sa tolerancijom materijala na samim crtežima. Međutim, na slici 61, kontrolno mjerilo kontroliše kombinovani efekat pravnosti mjere. Ako je potrebno da svornjak ostane cijelom dužinom u unutrašnjosti zamišljenog cilindra, imajući u vidu dozvoljene tolerancije prečnika svornjaka (Tejlorov princip), tolerancija pravnosti mora biti označena kao na slici 61. Ali ako je potrebno da svornjak ostane samo onom dužinom koja odgovara dužini djela sa kojim se spreže tolerancijska površina, mora biti označena na osi koja se vidi na slici 61.

Upravnost sa nula-tolerancijom oblika

Ako je potrebno posebno navesti da neku grešku pravca dijela koji se sklapa treba obuhvatiti okvirom granice maksimuma materijala, onda to treba označiti kao na slici 62. Odstupanja oblika su dozvoljena ako je dio ugrađen sa odstupanjem od dimenzije granice maksimuma materijala u smjeru ka minimumu materijala, pod uslovom da dimenzionisanje granica minimuma materijala nije ni u jednoj tački podbačeno. Treba takođe imati u vidu da nula-tolerancija oblika mora biti utvrđena i samo povezana sa principom maksimuma materijala, pošto bi u drugom slučaju nula-tolerancija oblika u stvari zahtijevala savršenu tačnost obrade - što je uostalom nemoguće.


74

tolerancijska zona 0,01

10

10

,01

kontrolnik

tolerancijska zona 0,03

9,

98

10

,01

kontrolnik0,

010,

03

Slika 61. Provjera pravosti kontrolnikom

A

16 -0,02

0 M

Slika 62. Nula-tolerancija oblika


75

50 0,1 dvije čivije 9,8 -0,1čepovi

dvije rupe 10 +0,1

Slika 63. Rastojanje centara

Rastojanje centara

Na slici 63 je prikazan prosti slučaj linearnog tolerisanja rastojanja centara i pokazuje dva sastavna dijela koja se uvijek mogu sklopiti, čak i pod najnepovoljnijim uslovima tolerancijskih mjera, u slučaju kad je:

* za gornji dio: rastojanje centra i prečnici čepova na maksimumu materijala

* za donji dio: rastojanje centra i prečnici čepova na minimumu materijala

ili

* za gornji dio: rastojanje centra i prečnici čepova na minimumu materijala

* za donji dio: rastojanje centra i prečnici čepova na maksimumu materijala

Na slici 64. dato je objašnjenje za ekstremne slučajeve maksimuma i minimuma rastojanja centara. Sklapanje dijelova moguće je izvesti u ovom slučaju, ako je ispunjeno:

1) Maksimalna rastojanja između spoljnih strana čepova u gornjem sastavnom dijelu ne smije prekoračiti 59,9 (tj. rastojanje čepova uvećano za pola prečnika svakog čepa 50,1 + 9,8 = 59,9 ne smije prekoračiti minimalno rastojanje između spoljnih strana rupa u donjem dijelu 49,9 + 10 = 59,9)

2) rastojanje između unutrašnjih strana čepovane smije biti manje od 40,1 (tj. rastojanje centra čepova umanjeno za pola prečnika svakog čepa 49,9 - 9,8 = 40,1 ne smije biti manje od minimalnog rastojanja između unutrašnjih strana rupa u donjem sastavnom dijelu 50,1 - 10 = 40,1)


76

49,9

59,9

50,1

40,1

Slika 64. Ekstremni slučajevi rastojanja centara

Otuda, ako prečnici čepova imaju minimalne prečnike (9,7), njihovo rastojanje centara može da varira između 59,9 - 9,7 = 50,2 i 40,1 + 9,7 = 49,8. što odgovara toleranciji od 0,2, umjesto 0,1, kako je dato na crtežu.

Ova mogućnost povećanja dozvoljene greške može se korisno primijeniti ako se naznači primjena maksimuma materijala na rastojanju centara čepova gornjeg dijela koji se sklapa. Princip maksimuma materijala može se naznačiti i za donji dio kao što je bilo prikazano na slici 62 sa istom tačnošću.

Ako se koristi princip maksimuma materijala, on se može naznačiti kao na slici 65, koja prikazuje donji dio: oznaka M slijedi tolerancijska rastojanja centara.

50 0,01 M

Slika 65. Princip maksimuma materijala za rastojanja centara - donji element

Prema slici 66, koja pokazuje isti dio, oznaka M slijedi toleranciju položaja rupa, označavajući da su tolerancijske zone za centre rupa cilindrične (u slučaju da su obje rupe minimalnog prečnika, tj. da postoji maksimum materijala, tolerancija rastojanja centara rupa je 0,1, dok ako su obje rupe maksimalnog prečnika, tolerancija rastojanja centara rupa je 0,2.


77

Jedina razlika između zahtjeva postavljenog na slikama 65 i 66 je u tome što se na slici 66 utvrđuje cilindrična tolerancijska zona za centre rupa.

50M0,01

Slika 66. Princip maksimuma materijala za rastojanja centara - donji element

Koaksijalnost

Primjena principa maksimuma materijala u odnosu na koaksijalnost je data na slikama 67, 68 i 69. Na slici 67 osa glave čivije treba da se nalazi u zoni tolerancije cilindra, čija se osa poklapa sa osom vrata čivije, čiji prečnik varira od 0,05 (=0,025. 2) do 0,165 (=0,0825. 2). Prema tome, kako variraju ostvareni prečnici glave i rukavca od njihovih mjera maksimuma do minimuma materijala prikazano je na slikama 68 i 69.

A

A M 0,05 M 40 -0,1

20 -0,05

Slika 67. Idealan slučaj koaksijalnosti (ose se poklapaju)


78

0,05

ekscentričnost 0,025 40

20

40,05

kontrolnik

osa kontrolnika

osa glave

Slika 68. Odstupanje od koaksijalnosti

0,15ekscentričnost 0,075

39,9

19,985

20

40,05

kontrolnik

osa kontrolnika

osa glave

0,015 osa vrata

ekscentričnost 0,0815

Slika 69. Odstupanje od koaksijalnosti


79

3.6. PRIMJERI TOLERANCIJA I OZNAČAVANJE NA CRTEŽIMA

AA0,5

Slika 70. Odstupanje površine "A" od ravnosti, ne veće od 0,05 mm

A300

0,1A

Slika 71. Odstupanje površine "A" od pravosti, ne veće od 0,1mm na dužini od 300 mm

A0,1 A

Slika 72. Odstupanje površine "A" od cilindričnosti, ne veće od 0,1mm


80

A

A0,02

Slika 73. Odstupanje površine "A" od kružnosti, ne veće od 0,02mm

A0,01A

Slika 74. Odstupanje profila podužnog presjeka cilindrične površine "A", ne veće od 0,01mm

A

A0,06

B A

Slika 75. Odstupanje od rupe B u odnosu na osu rupe A, ne veće od 0,06 mm


81

A0,01

A

B

A

Slika 76. Odstupanje površine "AB" od paralelnosti, ne veće od 0,01mm

A

A0,1 B

Slika 77. Odstupanje površine "B" od upravnosti prema osnovici (površina "A"), ne veće od 0,1mm

A0,01

A

36

H6

A0,01

A0,04

Slika 78. Odstupanje tolerancije položaja


82

30

H7

0,03

0,01

Slika 79. Odstupanje tolerancije položaja zaptivnog prstena

A

A

d

e

c

A

b

oznaka mjere tolerancije dijela b c d e f g

1 15 7 8h8 49 0,008 0,008 2 20 8 10h8 50 0,01 0,008 3 30 10 15h9 70 0,02 0,01 4 50 12 20h9 112 0,05 0,015

Slika 80. Označavanje tolerancije oblika i položaja, gdje su vrijednosti vezane tabelom


83

8 rupa 10H1130

15

M0,1

15 15303030

Slika 81. Odstupanje svih rupa od nominalnog položaja ne smije biti veće od 0,1 mm

B

80

-0,0

14

39 -0,15

A

A0,008

B0,002

0,05

0,05 0,01

Slika 82. Tolerancija unutrašnjeg prstena kugličnog ležaja


84

4. PRESOVANI SKLOPOVI

Presovani (stezni) spojevi su čvrste veze dobijene presovanjem, otporne na trošenje tako da omogućuju prenos udarnih i promjenljivih opterećenja. Stezna veza ostvaruje se spajanjem dijelova između kojih postoji preklop. Na slici 83 prikazana je veza vanjskog i unutrašnjeg prstena, te djelovanje sila pritiska sa vanjskog na unutrašnji prsten i obratno

DDvr

vanjski prstenp

Dur

p

unutrašnji prsten

Slika 83. Šuplje vratilo čvrsto spojeno s prstenom

Ova stezna veza je data i na sljedećoj slici, gdje se vidi valjanje čepa sa otvorom. Na čepu se daje primjer vratila, gdje sa svake strane postoji 1/2 preklopa.

dotvora

1/2 p1/2 p

dvratila

Slika 84. Vratilo čvrsto spojeno s prstenom


85

Stezno spajanje primjenjuje se najčešće kod dijelova koji rotiraju. To su razni rotori, turbinski i ventilatorski dijelovi, koji se presuju na vratila.

Stezno spajanje može se vršiti vrućim navlačenjem vanjskog dijela, pothlađivanjem unutrašnjeg ili presovanjem unutrašnjeg dijela u vanjski ili obrnuto. U prvom slučaju vanjski se dio zagrijava najčešće u uljnoj kupki, da se proširi toliko da se može lako navući na unutrašnji dio. Temperature se kreću oko 350C, ali ne idu preko te temperature. U drugom slučaju se unutrašnji dio hladi (u suhom ledu, gdje se postiže temperatura do -72C, a u tekućem zraku do -195C) i time se toliko sužava da se može uvući u vanjski dio. Zagrijavanjem na normalnim temperaturama (+20C) dolazi do steznog spoja. Ovako dobijene stezne spojeve nazivamo poprečnim steznim spojevima.

Ako se samo jednim načinom ne može postići dovoljno proširenje, može se kombinovati zagrijavanje i pothlađenje.

U trećem slučaju dijelovi se u hladnom stanju (najčešće upotrebom prese) presuju jedan u drugi. Takve spojeve nazivamo uzdužnim presovanim spojevima. Ovaj primjer je prikazan na slici 85, a takvo spajanje može se ostvariti i centrifugiranjem vanjskog dijela.

F

uzdužnopresovanje

F F

2-3mm

5

Slika 85. Uzdužno presovani spoj dobijen presovanjem čepa u prsten

Da oštre ivice ne bi pri presovanju strugale po rupi, zakosi se unutrašnji dio na dužini 2-3 milimetra pod uglom od 5. Pri presovanju se dijelovi mažu uljem ili mašću, a ako su od različitog materijala ili su različite tvrdoće mogu se presovati na suho.


86

Steznim spajanjem bez obzira na to na kakav je način ostvareno treba na nalegnutim površinama stvoriti dovoljno veliki otpor protiv aksijalnog pomjeranja ili zakretanja spojenih dijelova jedan prema drugom. Otpor trenja izazvan prianjanjem, veći je od otpora trenja klizanja. Pri proračunu steznih spojeva računamo, radi sigurnosti, samo sa otvorom trenja klizanja, kao što je prikazano na slici 83. Na istoj slici se vidi da usljed preklopa potrebnog za stezanje i izazivanje elastičnih deformacija, stvara se na naliježućim površinama pritisak p. Ako taj pritisak pomnožimo sa površinom A i koeficijentom trenja dobićemo potreban otpor trenja, koji se suprotstavlja djelovanju vanjskih sila.

Steznim sklopovima može se izvršiti ušteda u materijalu, ušteda u izradi utora za klin i sam klin, bušenje rupe za navoj, narezivanje navoja, izrada vijaka i drugo. Na sljedećim slikama vide se te uštede i rješenja sklopova.

Slika 86. Rukavac sa naslonom u normalnoj izradi i pomoću steznog sklopa

Slika 87. Pričvršćenje ručice na rukavac pomoću klina, podloške, vijka i sa steznim spojem


87

4.1. PRORAČUN STEZNOG SKLOPA

Sila otpora trenja klizanja je najmanja sila koju treba da izazove minimalni pritisak naliježućih površina (pmin), a koja mora biti toliko velika da uzdužno, obodno ili rezultantno vanjsko opterećenje Fl, Fo i Fr drži u ravnoteži. Sila otpora trenja klizanja Fk dobija odgovarajuće indekse l, o i r, već prema tome da li se radi o uzdužnoj sili klizanja Fkl, odnosno obodnoj sili klizanja Fko, ili rezultantnoj sili klizanja Fkr. Tako se Fk računa:

Fk = A. pmin.

Fkl = A. pmin. kl

Fko = A. pmin. ko

Fkr = A. pmin. kr

Fkr = D l. pmin. kr

Fko = 2Mo / D

A = D l

Fkl

Fl

uzdužna sila

+Fko

Fl D

D/2

+Fko

-Fko

+Fko

Frk

Fkl

Fl

Slika 88. Sila prijanjanja Fk (sila klizanja) - određeni načini opterećenja steznog spoja

Sila pripijanja Fk (sila klizanja) je određena načinom opterećenja steznog spoja preko koeficijenata trenja kl, ko, kr, (uzdužnim, obodnim i radijalnim) u pravcu djelovanja uzdužne sile. Vrijednosti koeficijenata trenja će najviše zavisti od sredstava za podmazivanje (suho bez podmazivanja, ulje ili mast), od vrste steznog spoja (uzdužni presovani, poprečni navučeni stezni spoj), od materijala vanjskog i unutrašnjeg dijela koji se stezno vežu i od toga da li se


88

radi o stanju mirovanja (trenje mirovanja) ili o stanju klizanja (trenje klizanja). Na slici 89 prikazani su dati odnosi.

60

0

30

0Fsila presovanja

520l

FA

suho presovanje100

podmazano uljem

80podmazano uljem i

mašću

60

podmazano mašću

40

20

l1100200300400500

Slika 89. Zavisnost sile presovanja od maziva

4.1.1. VELIČINA POTREBOG MINIMALNOG I DOPUŠTENOG MAKSIMALNOG IZMJERENOG STEZNOG PREKLOPA

Ps max = Pmax . (Kv + Ku)

. D. 103 [m]

Pmax = Ps max + p

Ps min = Pmax . (Kv + Ku)

. D. 103 [m]

Pmin = Ps min + p

km m Q

m E Qvv v v

v v v

( ) ( )

( )

1 1

1

2

2

QD

Dvs

vu vratilo unutra

( )

km m Q

m E Quu u v

u u u

( ) ( )

( )

1 1

1

2

2


89

QD

Duvu

Ps max i Ps min su maksimalni i minimalni stezni preklopi u mikrometrima

Pmax i Pmin su maksimalni i minimalni mjerni preklopi u mikrometrima

kv i ku su pomoćne veličine [mm2/N]

E je modul elastičnosti, koji se uzima iz tabele [MPa]

mv i mu su Poasonovi brojevi, koji su za čelik 10/3, za liveno gvožđe 4.

Pri izradi steznog spoja proračunati preklop se smije kretati u granicama tolerancije između maksimalnog i minimalnog preklopa, pri čemu je razlika Pmax - Pmin jednaka tolerancijskom polju dosjeda (nalijeganja).

Minimalni preklop mora biti toliki da osigurava dovoljno velik pritisak Pmin na naliježućim površinama, koji daje dovoljno veliku silu klizanja.

Ta sila trenja klizanja mora biti veća od vanjske sile Fl, odnosno obodne sile Fo. Preklop ne smije biti samo toliki da u prstenovima ne izazove naprezanje iznad dopuštene granice (tj. 90 % od granice razvlačenja).

4.1.2. PRORAČUN PRITISKA NA NALIJEŽUĆIM POVRŠINAMA

pp

D k k

N

mms

v u

( ) 103 2

(4.1)

20k

0k

kl

lmin mm

N

EA

F

A

Fp (4.2)

pR

k

N

mmumax

,

'

0 962

(4.3)

kQ

Q mk

Qvv

v vu

u

' '

1

1

1 2

1

2

2 2

, pomoćne veličine (4.4)


90

Dv

p

Du

p

p

Slika 90. Proračun pritiska na naliježućim površinama

Jednačina (4.1) je opšta jednačina za pritisak naliježućih površina. Pritisak p izračunat je prema zakonima nauke o čvrstoći, s tim da se vanjski i unutrašnji prsten smatraju debelostjenim posudama izloženim unutrašnjem, odnosno vanjskom pritisku. Iz jednačine se vidi da veličina pritiska zavisi od veličine steznog preklopa ps, odnosno od promjera Qv i Qu, te veličina zavisnih od vrste materijala (mv, mu, Ev, Eu).

Pritisak treba da se kreće između maksimalnog i minimalnog. Minimalni pritisak, koji zavisi od minimalnog steznog preklopa mora biti toliki da na naliježućim površinama izazove dovoljno veliku silu trenja klizanja (Fkl, Fko), koja će biti dovoljno velika da drži vanjske sile Fl i Fo (4.2).

Maksimalni pritisak ne smije biti prevelik da na prstenovima ne bi izazvao naprezanje veće od 0.9 R (4.3). za sve ovo su potrebne dodatne veličine (4.4)

A = D l [mm2] - površina nalijeganja

Rv [N/mm2] - granica razvlačenja vanjskog prstena

Ru [N/mm2] - granica razvlačenja unutrašnjeg prstena


91

4.1.3. JEDNAČINE NAPREZANJA I DEFORMACIJE NA VANJSKOM I UNUTRAŠNJEM PRSTENU

deformacija vanjskog prstena navanjskom obodu

deformacija vanjskog prstena naunutrašnjem obodu

11'

Slika 91. Raspored deformacija na vanjskom prstenu presovanog sklopa

deformacija unutrašnjegprstena na unutrašnjemobodu

deformacija unutrašnjeg prstenana vanjskom obodu

2

2'

Slika 92. Raspored deformacija na unutrašnjem prstenu presovanog sklopa


92

prstennaprezanjevanjskogprstena

naprezanje unutrašnjeg prstena

šuplje vratilo

prstennaprezanjevanjskogprstena

naprezanje unutrašnjeg prstena

puno vratilo

Slika 93. Naprezanje na vanjskom i unutrašnjem prstenu

PRORAČUN:

1) Naprezanje na unutrašnjem obodu vanjskog prstena

radijalno naprezanje: r max = - pg

tangencijalna naprezanja: t gv

v

pQ

Q.max

1

1

2

2

reducirano naprezanje: redv

v v

pQ

Q m.max

1

1

12

2

2) Naprezanje na vanjskom obodu unutrašnjeg šupljeg vratila

radijalno naprezanje: r max = - p


93

tangencijalno naprezanje: tu

u

pQ

Q.max

1

1

2

2

reducirano naprezanje: redu

u u

pQ

Q m.max

1

1

12

2

3) Naprezanje na vanjskom obodu unutrašnjeg punog vratila

radijalno naprezanje: -r = p

tangencijalno naprezanje: -t = p

reducirano naprezanje:

red

u

pm. 11

4) Naprezanje na vanjskom obodu vanjskog prstena

radijalno naprezanje: -r = 0

tangencijalno naprezanje: tvv

v

pQ

Q

2

1

2

2

reducirano naprezanje: red tvv

v

pQ

Q.

2

1

2

2

5) Naprezanje na unutrašnjem obodu šupljeg vratila

radijalno naprezanje: r = 0

tangencijalno naprezanje: tu

pQ

max

2

1

1 2

reducirano naprezanje: red tu

pQ

. max

2

1

1 2

6) Deformacija vanjskog oboda vanjskog prstena

2 2

1101

2

23

p

D

E

Q

Qmv

v

v

v

[ ]

7) Deformacija na unutrašnjem obodu vanjskog prstena

2 10

1 1

1

13

2

2

' [ ]

( ) ( )

( )

p D k m

km m Q

m E Q

v

vv v v

v v v


94

8) Deformacija na unutrašnjem obodu unutrašnjeg prstena

2 2

1102 2

3 '( )

[ ]

pD

E Qmu

u u

9) Deformacija na vanjskom obodu unutrašnjeg prstena

2 10

1 1

1

23

2

2

p D k m

km m Q

m E Q

u

uu u u

u u u

[ ]

( ) ( )

( )

4.1.4. PRORAČUN TEMPERATURE ZA VRUĆE NAVLAČENJE I POTHLAĐIVANJE

Temperatura pri zagrijavanju vanjskog dijela iznosi:

Kt10D

zpt 03

v

maxv

Temperatura pri pothlađivanju unutrašnjeg dijela iznosi:

Kt10D

zpt 03

uu

maxu

gdje je:

z [m] - potrebna zračnost radi lakšeg navlačenja zagrijanog vanjskog prstena ili pothlađenog unutrašnjeg dijela.

u, v, - koeficijent toplotnog širenja materijala

4.1.5. SIGURNOST KOD STEZNIH SPOJEVA

Sigurnost kod steznih spojeva je odnos sile otpora trenja klizanja Fkl (Fko kod izvjesnih steznih spojeva) prema djelovanju vanjskih sila Fl i Fo (zbog koje je stezni spoj izveden). Sigurnost će biti:

S = Fko / Fo , odnosno:

S = Fkl / Fl

S > 1.3 ... 1.8

Vanjske sile Fl i Fo i sile otpora klizanju Fkl i Fko steznog spoja daju tako raspored sila, kao što je prikazano na slici 94.


95

Fkl - uzdužna sila klizanja

Fko - obodna sila klizanja

Fl - uzdužna sila

obrtni moment - Mo

obodna sila - Fo

Slika 94. Raspored sila kod steznog spoja

4.1.6. OBLIKOVANJE STEZNIH SPOJEVA

Dv

Dp

m

n

= 1 = 5 ... 15

n = 2 ... 3 mm

m = 0.01D+2 mm

Slika 95. Oblikovanje ivica vratila i provrta


96

Ako se stezni spoj hladnim presovanjem navlači, treba oštre ivice vanjskog i unutrašnjeg mašinskog dijela tako oblikovati da se što više smanji potreban pritisak za presovanje i da se poveća sigurnost samog steznog spoja.

Oštre ivice djeluju pri struganju kao strugalo, uglačavaju dodirne površine i smanjuju preklop. Zato je važno oštre ivice skinuti na unutrašjem mašinskom dijelu, koji se izrađuje od tvrdog materijala ( = 5 ... 15, m = 0.01D+2 mm).

Ivice vanjskog dijela više se obaraju i imaju veći radijus. Dubina na unutrašnjem dijelu se kreće od n = 2 ... 3 mm, i 1 = 5 ... 15, sa dozvoljenom tolerancijom od nekoliko (5 do 10) minuta, što znači da se ivice vanjskog dijela više obaraju i imaju veći radijus.

4.1.7. STEZNI OBRUČI

Steznim obručima vežu se mašinski dijelovi koji su podijeljeni na dva ili više dijelova. Vruće navučeni stezni obruči stežu se pri hlađenju i time izazivaju pritisak na podijeljenim površinama. na takav način se vežu veliki zamajci i remenice. Na svakom steznom mjestu imaju dva ili više steznih obruča. Tako ostvarena veza ne služi samo za preuzimanje sila, već i kao osiguranje protiv labavljenja. Stezni obruči izrađuju se od materijala Č.0210 i Č.0445. Budući da je preklop relativno malen (pmax = pmin), potreban je odgovaraući kvalitet nalijeganja površina.

Toplo navlačenje steznim obručima izvodi se kod glavčina velikih ležaja na vratilu, zatim spajanja dijelova kod poljoprivrednih mašina i drugo, gdje glavčina i vratilo moraju imati čvrsto nalijeganje. Pri proračunu se glavčina i vratilo računaju kao jedan dio (unutrašnji), u odnosu prema steznom obruču. U tom slučaju se računa modul elastičnosti za unutrašnji dio:

EE E Q

E E Qug v v

g v

( )1

Q g glavčina

v vratilo

( )

( )

gdje je: Eg - modul elastičnosti glavčine,

Ev - modul elastičnosti vratila,

Q - odnos debljine stjenki


97

FpFp opterećenjeglavčine

opterećenje steznihobruča

F p

'

suženoproširenoF

opterećenje steznihobruča

F p

'

Slika 96. Sile i deformacije steznih obruča

Sigurnost protiv odvajanja se računa:

S = Fp / Fr 1.3 ... 1.8

gdje je: Fp - prethodna sila, koja se računa prema Fp = D. l. p

Fr - sila od rada

Fd - deformaciona sila


98

F Fd r

2

1

2

1

1

Naprezanje na zatezanje prstena iznosi:

F

A

F

D D l

kN

mmv

0 02( )

4.1.8. STEZNE TRAKE

Stezno spajanje može se izvršiti i pomoću steznih traka. Glave steznih traka ne samo da ne izazivaju gnječenje materijala i opterećenje na pritisak na naliježućim površinama, već svojim djelovanjem obrazuju propusni tok linija sila.

Sa slike 97 se vidi da su dijelovi kod kojih strelice pokazuju lijevi smjer opterećenja na istezanje, desni na pritisak. Gustoća toka linija sila je mjerilo za visinu naprezanja. Uzmemo li u obzir da će pri navlačenju traka uglačavati naliježne površine, doći će do produženja stezne trake za veličinu A i do skraćenja steznih dijelova za B.

45

1/2 Fa

1/2 F

+

-

b

Slika 97. Tok linija sila i raspored naprezanja glave stezne trake


99

Prema zakonima nauke o čvrstoći imamo da je:

EF

AF E A

FE A

lNp

A A A

10 3 [ ]

FE A

lNp

B B B

10 3 [ ]

Stezni preklop je:

A

B

B B

A A

A E

A E

10

10

3

3

Uvode se pomoćne veličine kA i kB:

kA EA

A A

103

k

A EBB B

103

AB

A

kk

m1

[ ]

BA

B

kk

m1

[ ]

F F

kk

kk

No r

B

A

B

A

1

[ ]

Sigurnost protiv odvajanja:

S = Fp / Fr 1.3 ... 1.8

Naprezanje na zatezanje na traci iznosi:

MPa5,0ab

F

A

FR

00

Stezne trake opterećene su obodnom silom na savijanje:

MPa6,0

6

bh

lF5,0R2

0

Specifični pritisak na naliježuće površine


100

MPa7,0ba

F5,0p R

0

Potrebna temperatura za navlačenje trake:

Kt10l

zpt 03

A

maxA

gdje je:

b - širina trake

a - površina nalijeganja na čelu

z [m] - potrebna zračnost za nesmetano navlačenje trake (z 30 m)

u, v, - koeficijent toplotnog širenja materijala

4.1.9. PRILJUBLJENI STEZNI SPOJEVI

Slika 98. Jednostavni prirub

Slika 99. Dvostruki prirub


101

Ova vrsta steznih spojeva se koristi za međusobno povezivanje, najčešće lančastih ili prstenastih dijelova ili za ojačavanje rubova limova. Oblikovanje dijelova pri prirubljivanju mora biti tako da omogući njihovo međusobno centriranje i povezivanje. Tehnologija priljubljivanja provodi se tako da pošto su dijelovi međusobno navučeni jedan u drugi, krajevi pomoću valjaka zavrnu i na taj način se stvara takozvana veza oblikom. Rubovi koji se pomoću valjaka zavrću mogu biti ili rubovi unutrašnjeg ili rubovi vanjskog dijela.

Slika 100. Primjeri spajanja prirubljivanjem


102

5. ZAVARENE KONSTRUKCIJE

5.1. OPŠTE O ZAVARIVANJU

Zavarivanje se koristi u mašinogradnji i građevinarstvu, za izradu konstrukcija od standardnih profila i limova. Tako zavarene konstrukcije mogu biti noseći elementi konstrukcije (stubovi, grede, rešetke), dijelovi od lima (sudovi pod pritiskom, rezervoari, cjevovodi) i zavareni elementi mašina (postolja mašina, oslonci, tijela obrtnih dijelova). Te konstrukcije se izrađuju od zavarljivih materijala, prvenstveno od niskougljeničnih čelika (Č.0261, Č.0361, Č.0363), čelka za bešavne cijel (Č.1212, Č.1213, Č.1214, Č.1215, Č.1402, Č.3100, Č.7100), čelika za kotlovske limove (Č.1202, Č.1204, Č.1206). Čelici sa većim sadržajem ugljenika (preko 0.3 %) i legirani čelici zavaruju se uz posebnu pripremu. Na zavarljivost čelika nepovoljno utiče sadržaj silicijuma, mangana, sumpora i fosfora. Osim čelika, mogu se pod određenim uslovima zavarivati sivi liv, bakar, mesing, bronza, cink, aluminijum, plastične mase i dr. Usljed zapaljivosti, aluminijum i legure aluminijuma se zavaruju u zaštitnoj atmosferi inertnih gasova, na primjer argona.

Postupci zavarivanja se mogu podijeliti u dvije grupe: zavarivanje topljenjem i zavarivanje pritiskom.

Zavarivanje topljenjem ostvaruje se topljenjem materijala na mjestu spoja uz dodavanje dodatnog materijala ili bez njega. Obzirom na način zagrijavanja mjesta spoja, najčešći postupci zavarivanja topljenjem su gasno zavarivanje, elektrolučno zavarivanje, zavarivanje pod troskom, aluminotermijsko zavarivanje, livačko zavarvanje, zavarivanje elektronskim snopom, zavarivanje plazmom, zavarivanje laserom i dr. Elektrolučno zavarivanje ima najširu primjenu i može se ostvariti sa različitim vrstama zaštite ili bez nje, ručno ili automatski.

Zavarivanje pritiskom ostvaruje se omekšavanjem materijala na mjestu spoja i dejstvom pritiska ili udarca. Neki od najčešćih postupaka su elektrootporno zavarivanje, zavarivanje trenjem, zavarivanje ultrazvukom i dr.

Prema standardu JUS C.T3.001, pod terminom zavareni spoj podrazumijevaju se spojeni dijelovi zajedno sa nanijetim materijalom. Šav je nanijeti materijal sa neposrednom okolinom. Zavar je jedan sloj nanesenog materijala.


103

zavar

šav

zavareni spoj

osnovni materijal

Slika 101. Elementi zavarenog spoja

Zavareni spojevi mogu biti sučeoni, ugaoni i preklopni (slika 102).

preklopni spoj

sučeoni spoj

ugaoni spoj

Slika 102. Vrste zavarenih spojeva


104

5.2. NAPONSKO STANJE U ZAVARENOM SPOJU

U literaturi postoje razne metode proračuna zavarenih spojeva. Treba imati u vidu da su te metode dosta uproštene. U stvarnosti raspored napona u zavarenom spoju je jako složen, pa bi i tačna metoda proračuna predstavljala vrlo složen istraživački problem.

z = F / Az z doz

Az = . Lz

Lz = L - 2

Slika 103. Uprošteni proračun naponskog stanja zavarenog spoja

Na slici 104 prikazan je stvarni raspored napona u zavarenom spoju. Sa slike se vidi da raspored nije isti u presjeku u sredini šava i u presjeku u osnovnom materijalu neposredno pored šava (takozvano toplotom uplivisano područje).

1-121

2-2

21

Slika 104. Raspored napona u različitim presjecima zavarenog spoja

Jednačine za proračun nominalnih napona za različite oblike zavarenih spojeva date su na slikama 105, 106, 107 i 108.

F

L

F

F F


105

F

FMx Mx

aL

F F

My

My

Slika 105. Sučeoni zavareni spoj

Istezanje silom F: z = F / aLz

Lz = L - 2a

Može biti a = i Lz = L ako su za to ispunjeni uslovi

Savijanje: x = 6Mx / Lza2

y = 6Mx / aLz2

a

F

t

M

d

d

= d / dsds = d +2a

Slika 106. Ugaoni zavareni spoj - kružni presjek

Istezanje:

z

s

F

A

F

d

4

12 2( )

Savijanje:

s

s

M

W

M

d

32

12 2( )

Uvijanje:

t

t

p

t

s

T

W

T

d

16

12 4( )


106

a

F

M

y 1y 2

Slika 107. Ugaoni zavareni spoj

Zatezanje:

zi zi

F

A

F

aL

Savijanje:

sx

x si i i

M

W

M

Iy

I I A y

max

( )2

F

M

a

h L

Slika 108. Preklopni zavareni spoj

Smicanje:

F

L h( )a2

Uvijanje:

M

a L h a h

L L a

z

z

( ) /2 6


107

5.3. ČVRSTOĆA I SIGURNOST SPOJEVA ZAVARENIH TOPLJENJEM

5.3.1. STATIČKA ČVRSTOĆA ZAVARENIH SPOJEVA

Za provjeru i dimenzionisanje statički opterećenih zavarenih spojeva mjerodavna je granica tečenja zavarenog spoja

TM = T. T1

. T2

TM = T. T1

. T2

gdje su T i T - granica tečenja epruvete od osnovnog materijala, pri odgovarajućoj vrsti naprezanja.

Uticaj koncentracije napona na prosječnu granicu tečenja kod sučeonih spojeva nije izražen, te je faktor uticaja oblika na granicu tečenja T1 = 1. Raspodjela napona na ugaonim šavovima je izrazito ravnomjerna. Uticaj ove raspodjele na čvrsti ugaoni šav obuhvata se faktorom T1 = 0.8.

Faktor T2 je faktor uticaja kvaliteta šava (prema standardu JUS poznato je da postoji I, II, III i IV kvaliteta zavarivanja).

T2 = 1.0 za šavove I i II stepena kvaliteta

T2 = 0.8 ... 0.9 za šavove III i IV stepena kvaliteta.

5.3.2. STEPEN SIGURNOSTI STATIČKI OPTEREĆENIH ZAVARENIH SPOJEVA

sr

t

Slika 109. Promjenljivo opterećenje sa malom amplitudom promjene napona


108

Granica tečenja mjera je ne samo za proračun konstrukcija izloženih mirnim opterećenjima, već i konstrukcijama izloženim promjenljivim opterećenjima sa malim brojem promjena napona (n = 103 ... 104) ili ako je amplituda promjene mala u odnosu na srednji napon. Uticaj ovih promjena obuhvata se većim stepenom sigurnosti u odnosu na date granice.

Na dinamičku čvrstoću (izdržljivost) utiče niz faktora:

1 - uticaj koncentracije napona ostvaren samim spojem (uticaj oblika spoja)

2 - uticaj kvaliteta šava

3 - uticaj povećanja koncentracije napona

4 - uticaj veličine zavarenog objekta (obično je 4 = 1)

5 - uticaj na dinamičku čvrstoću zavarenog spoja od ostalih pojava

R - faktor radne čvrstoće

Tabela 7. Faktor oblika 1 za dinamičko naprezanje za sučeone spojeve

Oblik spoja: Veličina faktora 1

0.5

0.7

0.92

1

0.7

1

0.8


109

2 = 0.95 ... 1 za šavove I stepena kvaliteta

2 = 0.8 ... 0.9 za šavove II stepena kvaliteta

2 = 0.6 ... 0.75 za šavove III stepena kvaliteta

2 = 0.5 ... 0.6 za šavove IV stepena kvaliteta

3 = 1 / k

k je stvarni faktor koncentracije napona: k = (k - 1) k + 1

Tabela 8. Faktor oblika 1 za dinamičko naprezanje za ugaone spojeve

Oblik spoja: Zatezanje-pritisak Savijanje Smicanje-uvijanje

0.22

0.1

0.28

0.32

0.57

0.4

0.35

0.57

0.43

0.41

0.72

0.51

0.56

0.67

0.56

0.63

0.67

0.63

0.22

0.1

0.28

0.3

0.5

0.37

0.46

0.46

0.46

0.6

0.63

0.63

0.35

0.58

0.44


110

Tabela 9. Faktor oblika 1 za dinamičko naprezanje za preklopne spojeve

Oblik spoja: Zatezanje-pritisak Savijanje Smicanje-uvijanje

0.22

0.25

0.25

0.3

0.3

0.3

0.25

0.25

0.25

0.48

0.48

0.48

Amplitudna promjena napona može biti nejednake veličine, pa se razlikuju:

* teški režim rada

* srednji režim rada

* laki režim rada

Tabela 10. Vrijednosti faktora R na osnovu režima rada i broja promjena n

n 105 106 107 108 109

teški režim rada 1.05 ...1.15 1.05 ...1.15 1.05 ...1.15 1 1

srednji režim rada 1.15 ... 1.25 1.2 ... 1.3 1.2 ... 1.3 1.05 ...1.15 1

laki režim rada 1.3 ... 1.4 1.3 .. 1.5 1.3 ... 1.5 1.2 ... 1.3 1.05 ...1.15

Dinamička izdržljivost zavarenog spoja, uzevši u obzir sve uticaje za naizmjeničnu promjenu napona iznosi:

D(-1)M = D(-1). 1

. 2. 3

. 4. 5

. R

D(-1)M = D(-1). 1

. 2. 3

. 4. 5

. R

Dinamička izdržljivost za koeficijent asimetrije odgovarajućeg ciklusa (R = d / g):


111

DMD M

MTM

DMD M

MTM

ctg tg

ctg tg

( )

( )

1

1

1

1

Ovo važi za sr 0 (sr 0), g / d = const. (g / d = const.).

DMD M d M

M

DMD M d M

M

tg

tg

tg

tg

( )

( )

[ / ]

.

[ / ]

.

1

1

2

1 0 5

2

1 0 5

Ovo vrijedi za sr 0, d = const., gdje je:

tg MD

DR

1 1

2 1

01 2 3 4 5

( )

( )

za n > ND

tgN

nMD

DR

Dn

1 1

2 1

01 2 3 4 5

( )

( ) za n < ND

M

D

sr

sr

D(-1)

D(-1)M

45

linija dinamičkihopterećenja

linija radnihnapona

Slika 110. Određivanje izdržljivosti za radne uslove


112

6. KONCENTRACIJA NAPONA

6.1. POJAM KONCENTRACIJE NAPONA

Neravnomjerna raspodjela napona po presjeku utiče na dinamičku izdržljivost mašinskog dijela. Najčešće se pojavljuje na mjestima promjene poprečnog presjeka mašinskog dijela.

Materijal se plastično deformiše kad najveći napon prekorači granicu razvlačenja. Ako se to prekoračenje ponavlja više puta u jedinici vremena, onda se javlja zamor materijala, čime materijal slabi. U materijalu počinje razaranje materijala, počinju polako da se javljaju male naprsline, koje su najveći izvori koncentracije napona. Naprsline prodiru ka unutrašnjosti dok ne dođe do kidanja materijala. Naponi se koncentrišu na mjestima:

* gdje se prekida kontinuitet oblika (prelaz sa manjeg presjeka na veći)

* gdje se prekida kontinuitet nosive površine (zasjeci, poprečni provrti, tragovi noža, itd.)

* gdje se prekida kontinuitet u strukturi materijala (grafitna gnijezda, naprsline, lunkeri, mjehuri i dr.)

* gdje je struktura materijala neravnomjerna.

Sva takva mjesta predstavljaju izvore koncentracije napona i nose opšti naziv ZASJEK ili ZAREZ. To su dakle ona mjesta na mašinskom dijelu od kojih se pri promjenljivom opterećenju razvijaju naprsline u materijalu. Na slici 111 vidi se koncentracija napona kod bočnog zasjeka na pravougaonoj traci, koja zavisi od odnosa dimenzija trake (B / b), od poluprečnika zaobljenja , te od najvećeg napona zatezanja z max.

z max = k. n

gdje je:

k - faktor oblika predmeta (kreće se od 6.25 do 6.5)

n - normalni napon (n = F / A)


113

h

F F

B

n

max

b

Slika 111. Koncentracija napona na mašinskom dijelu sa žlijebom

3

2.4

2.3

2

1.6

1.4

1.3

00.150.10.05 0.25

k

/b

0.30.2

B/b=1.5

B/b=1.2

B/b=1.1

B/b=1.05

B/b=1.02

Slika 112. Faktor oblika predmeta

Ako je štap pravougaonog poprečnog presjeka sa provrtom opterećen silama kao na slici 113, koncentracija napona je najveća na ivicama provrta. Vrijednost geometrijskog faktora zavisi od odnosa d/B, gdje je k = 2.1 ... 2.4.


114

n

kz

n

F

B d h

n

n

nB

dn broj rupa

( )

max 3

1

h

F F

B

n

max

d

Slika 113. Koncentracija napona na mašinskom dijelu pravouglog poprečnog presjeka sa provrtom

3.2

3.05

2.9

2.75

2.6

2.45

2.3

2.15

2.00.30.20.1 0.5

k

d/B

0.60.4



115

Slika 115. Linije toka naprezanja

Slika 116. Višestruka koncentracija napona

Na slici 115 se vidi da veća skretanja linija toka uslovljavaju i veće dejstvo koncentracije napona.

Na slici 116 se vidi štap izložen naizmjeničnom savijanju sa 2 do 3 kružna žlijeba, koji su izrađeni u vidu rasterećenja od vršnih napona. Tada će se linije unutrašnjih napona rasporediti na veću površinu, pa će i vršni naponi biti manji nego u slučaju samo jednog žlijeba (kao na slici 115).

Ovako pridodati novi izvori koncentracije napona ublažavaju prvobitini stepen koncentracije i na taj način vrše ulogu zareza rasterećenja. Kao takvi imaju veliku primjenu na mjestima gdje se ne može izbjeći jako zarezno dejstvo. Kod oštrih kružnih žlijebova površinski naponi imaju znatno veću vrijednost nego kod zaobljenog žlijeba. Najčešći primjer gdje se oštri zarezi ne mogu izbjeći, a postoji rasterećenje višestrukim žlijebovima su navoji, koji djeluju kao žlijebovi rasterećenja i smanjenja koncentracije napona.

d

M

D

M

Slika 117. Koncentracija napona na mašinskom dijelu pravouglog poprečnog presjeka sa provrtom


116

Ako je štap pravougaonog poprečnog presjeka sa provrtom prečnika d opterećen momentima savijanja kao na slici 102, stvarna vrijednost napona se dobije množenjem efektivnog faktora koncentracije napona k i nominalnog napona n.

MPa

)1(1d1.0

M

nkmaxb

kkk

3n

gdje je k stepen osjetljivosti materijala prema zarezu, a koji se kreće od 0 do 1. Stepen osjetljivosti k = 1 za čelike sa visokom granicom razvlačenja (u tom slučajuje k = k).

3.0

2.8

2.6

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.40.30.20.1 0.5

k

d/D

0.60.4


Kod vratila sa širokim vijencem javlja se naglo skretanje linija unutrašnjih napona, pa prema tome i jaka koncentracija napona u prelaznim presjecima. Da bi se ta pojava eliminisala, potrebno je vratilo izvesti iz dva dijela, vratila i prstena koji se naknadno navuče i spoji sa vratilom (slika 119).


117

Slika 119. Vratilo sa širokim vijencem

6.2. SMITOV DIJAGRAM

Smitov dijagram se prmjenjuje za razne vrste naprezanja i materijala. Čvrstoća oblika ili granična vrijednost amplitudnog napona za određeni mašinski dio izložen naizmjenično promjenljivom opterećenju može se dobiti na osnovu dinamičke čvrstoće D i D i faktora koji utiče na dinamičku izdržljivost. Kada su normalni naponi granične amplitude uzeti u obzir dobijamo da je:

MPaOv

MPaOv

k

kkDA

k

kkDA

gdje je Ok zavisnost dinamičke čvrstoće od vrste površinske obrade, a vk faktor opadanja dinamičke čvrstoće sa povećanjem poprečnog presjeka.

Dinamički stepen sigurnosti iznosi:

SDA

n

SD = 1,2 ... 2

Ako je a računska vrijednost radnog amplitudnog napona, stepen sigurnosti protiv dinamičkog sloma iznosi:


118

S A

a

Usvajanjem stepena sigurnosti treba da se obuhvate sve okolnosti, s tim da su zanemareni pojedini uticaji kao što su nepredviđena preopterećenja, neravnomjernost strukture materijala, greške pri mehaničkoj i termičkoj obradi.

50v

40

A

D

A

Granica zamora

N/mm2

M N/mm2

D

A doz.

A doz.

30

20

10

10

30

20

605040302010

Dinamička izdržljivost predmeta

Dinamička čvrstoća materijala

Dozvoljeni amplitudni napon

Slika 120. Smitov dijagram

Odnosi na dijagramu, tj. zavisnost između dinamičke čvrstoće materijala (linija crta-tačka), dinamičke izdržljivosti (čvrstoća oblika) i dozvoljenih amplitudnih napona predstavljaju sljedeće: Puna linija omeđuje oblast graničnih amlitudnih napona za konstrukcioni dio; to su dakle kritični naponi ili naponi na granici zamora. Šrafirana površina predstavlja oblast dozvoljenih amplitudnih napona za područje srednjih napona od 0 (nula) do granice razvlačenja (v).


119

6.3. DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST DIJELOVA ILI ČVRSTOĆA OBLIKA

Čvrstoća oblika se može popraviti:

a) posebnim oblikovanjem

b) hladnom obradom ugroženih mjesta

c) podesnom temperaturom za vrijeme obrade

d) primjenom žlijebova rasterećenja

e) poboljšanjem strukture materijala.

Slika 121. Primjer izbjegavanja pojave površinskih napona

Slika 122. Rasterećenje napona kod koljenastog vratila

Opasna koncentracija napona

Rasterećenje napona sa žlijebovima na stablu vijka


120

6.4. STEPEN SIGURNOSTI

6.4.1. STATIČKI I DINAMIČKI STEPEN SIGURNOSTI

Jačina materijala nije ista za statička i dinamička opterećenja, a takođe nije ista na običnim i na povišenim temperaturama. Statička jačina materijala se lako mjeri, te se tako brzo mogu dobiti podaci o dozvoljenim naprezanjima. Ako se radi o mirnom opterećenju, epruveta se izlaže laganom zatezanju brzinom od 1 daN/mm2s, sve dok ne dođe do loma materijala.

Pri statičkom mjerenju čvrstoće do kidanja epruvete dolazi usljed jednokratno promjenljivog opterećenja. Epruveta pri tome pretrpi plastične deformacije, tako da podaci koji se dobiju ovim mjerenjem predstavljaju statičku jačinu n [daN/mm2], granicu elastičnosti, (granicu razvlačenja) v.

Mjerenjem je utvrđeno da se pri dozvoljeno velikom broju uzastopno ponovljenih opterećenja probna epruveta prekida pri mnogo manjem naponu nego što je jačina materijala pri jednokratnom statičkom opterećenju. Za krute materijale granica opterećenja je određena čvrstoćom materijala. Prekoračenje ove granice rezultira lomom mašinskog dijela. Za žilave materijale mjerodavna je granica razvlačenja, ali njenim prekoračenjem nastaju nedovoljno velike deformacije, što ometa pravilno funkcionisanje odgovarajućeg mašinskog dijela. Konstrukcioni elementi u toku rada sa potrebnom sigurnošću izdržavaju predviđena opterećenja. Njihov oblik i dimenzije moraju biti takvi da bi naponi u ugroženim presjecima bili znatno manji od kritičnih napona predstavljenih čvrstoćom materijala i granicom razvlačenja. Na taj način, kao osnova pri proračunu mašinskih dijelova uzima se samo jedan dio kritičnog napona, koji se tada smatra dozvoljenim naponom.

6.4.2. DOZVOLJENI NAPON

Da bi se spriječila opasnost od razaranja konstruktivnog dijela, oblik i dimenzije tog elementa treba tako odrediti da radni napon u njemu bude znatno manji od odgovarajuće čvrstoće materijala. Ovako određeni dio kritičnog napona naziva se dozvoljeni napon, a odnos mjerodavne karakteristike čvrstoće prema odgovarajućem radnom naponu u datom presjeku predstavlja stepen sigurnosti protiv razaranja konstruktivnog dijela.

Krti materijali proračunavaju se na osnovu stepena sigurnosti protiv sloma, tj. prema statičkoj čvrstoći materijala. Za proračun žilavih materijala mjero-davan je stepen sigurnosti protiv trajnih deformacija, čija se vrijednost određuje na osnovu granice razvlačenja (v, v). Vrijednost stepena sigurnosti za odre-


121

đeni materijal se razlikuje zavisno od toga da li je opterećenje mirno (I), jedno-smjerno promjenljivo (II) ili naizmjenično promjenljivo (III).

Zavisno od vrste opterećenja vrijednost stepena sigurnosti prema krutom slomu iznosi:

S ili SM M

i kreće se u granicama:

1) S = 3 4 za mirno opterećenje

2) S = 5 6 za jednosmjerno promjenljivo opterećenje

3) S = 10 12 za naizmjenično promjenljivo opterećenje

Vrijednost stepena sigurnosti prema granici razvlačenja iznosi:

S ili Sv v

i kreće se u granicama:

1) S = 3 4 za mirno opterećenje

2) S = 4 5 za jednosmjerno promjenljivo opterećenje

3) S = 5 6 za naizmjenično promjenljivo opterećenje

6.4.3. STEPEN SIGURNOSTI ZA RAZLIČITE MATERIJALE

Naponi izazvani spoljnim silama dijele se na normalne i tangencijalne napone. Među tim vrstama napona važe sljedeće zavisnosti:

M = (0.84 0.87) M za čelični materijal

M = (1.02 1.17) M za liveno željezo.

Tabela 11. Stepen sigurnosti Opterećenje Vrsta razaranja Mjerodavna čvrstoća Stepen sigurnosti

Plastične deformacije v, 0v, pus, v 1.1 1.8 Statičko Krti lom uM, uM 1.8 3 Izvijanje k 2.5 5 Dinamičko Zamoreni lom D, uD, A, A 1.8 3


122

Izvijanje k 3 8

6.5. DINAMIČKA ČVRSTOĆA MATERIJALA

Ako je epruveta izložena trajnom, stalnom promjenljivom opterećenju, vremenom će nastupiti slabljenje materijala i smanjenje njegove izdržljivosti. Do ovog slabljenja dolazi usljed zamora materijala.

Materijal je manje izložen zamoru pri jednosmjerno promjenljivom, a više pri naizmjenično promjenljivom opterećenju. Na dijagramu napon-vrijeme (slika 123) prikazane su osnovne vrste opterećenja: mirno (I), jednosmjerno promjenljivo (II) i naizmjenično promjenljivo (III).

Pri naizmjenično promjenljivom opterećenju naponi variraju - osciluju oko nule za veličinu A. Pri mirnom opterećenju amplitudni napon A je jednak nuli. Pri čisto jednosmjerno promjenljivom opterećenju naponi se mijenjaju od nule do maksimuma koji je zbir srednjeg i amplitudnog napona (dj = m + A). Kod mirnog opterećenja amplitudni napon se poklapa sa linijom opterećenja i jednak je nuli.

Mjerenje dinamičke čvrstoće vrši se na mašinama za zamor materijala. U tu svrhu se koriste glatke, polirane epruvete prečnika 7.5 15 mm.

M [N/mm2

1 ciklus

vrijeme

IIIIII

m

m

dj

A

A

Mirno opterećenje Jednosmjernopromjenljivo opterećenje

Naizmjeničnopromjenljivo opterećenje

Slika 123. Dijagram napon-vrijeme

Da se dobije dijagram dinamičke izdržljivosti u zavisnosti od broja promjena opterećenja, potrebna je serija od 6 do 10 epruveta. Kod čeličnog materijala tok ove linije postaje nakon 5 do 10 miliona ciklusa približno paralelan apscisnoj osi. Srednja vrijednost napona koja odgovara toj oblasti predstavlja dinamičku čvrstoću materijala. (slika 124).


123

40

[N/mm2]

broj ciklusa opterećenja

DDsr

30

20

10

654321 10710987

Slika 124. Dijagram dinamičke izdržljivosti u zavisnosti od broja ciklusa promjene opterećenja


124

7. OBLIKOVANJE I DIMENZIONISANJE DIJELOVA MAŠINSKIH KONSTRUKCIJA

Nakon što se usvoji optimalno koncepcijsko rješenje neke konstrukcije, potrebno je definisati tačne oblike, dimenzije, materijale, kvalitet, međusobno uklapanje i sl. Oblikovanje dijelova je u sprezi sa tehnološkim ograničenjima, karakteristikama materijala, naponskim i drugim stanjima, racionalnošću konstrukcije, itd. Oblik u velikoj mjeri zavisi i od kvaliteta, tačnosti, tolerancija, hrapavosti, i sl., a te osobine se definišu na bazi iskustva, proračuna, ispitivanja ili procjena.

Osim iskustva, preporuka i ograničenja, značajnu ulogu u definisanju dijelova, oblika i dimenzija imaju standardi. Standardima su obuhvaćena ograničenja mnogih veličina, kao što su dimenzije, tolerancije, parametri materijala, dijelova i sklopova. Neki mašinski elementi su u potpunosti standardizirani, a za neke su ograničeni osnovni parametri. Standardni dijelovi svrstani su u familije, te konstruktoru ostaje da odabere odgovarajuće iz proizvodnog programa specijalizovanih proizvođača. Primjeri takvih elemenata su ležajevi, vijci, navrtke, opruge, spojnice, i sl.

7.1. KRITERIJI ZA DIMENZIONISANJE DIJELOVA MAŠINSKIH KONSTRUKCIJA

Dimenzije mašinskih dijelova treba odabrati tako da mašinski dio uspješno izvršava funkciju uz ograničenja pri eksploataciji i izradi. Vrsta i ponašanje materijala pri tome čine osnovni skup graničnih uslova. Koja će stanja i koja ograničenja biti usvojena za mjerodavna, zavisi od samih dijelova i od procjene konstruktora.

Dimenzionisanje dijelova mašinskih konstrukcija se vrši prema sljedećim kriterijima:

1. Na osnovu funkcije dijelova sklopova

2. Na osnovu naponskog stanja dijelova

3. Na osnovu krutosti mašinskih dijelova


125

4. Dimenzionisanje uz zadovoljenje zakonskih propisa (uzimaju se u obzir i ekonomska ograničenja)

5. Dimenzionisanje i racionalnost iskorištenja mašinskih dijelova

6. Oblikovanje mašinskih dijelova obzirom na način izrade - tehnologičnost

7. Oblikovanje mašinskih dijelova obzirom na uslove montaže

8. Modeliranje oblika dijelova pomoću računara (CAD)

Obzirom da su navedeni kriteriji obično međusobno protivriječni, među-sobno usaglašavanje kriterija vodi ka optimalnim veličinama prihvatljivim sa više aspekata.

Ne ispoljavaju se svi kriteriji i ograničenja u istoj mjeri kod svih dijelova. Za neke dijelove i za neke dimenzije važna je čvrstoća, za druge krutost, za neke mala masa ili niska cijena. Ima slučajeva kad neki uslovi dominiraju, tako da se pažnja posvećuje samo njima.

Kriteriji, odnosno ograničenja koja se matematički, primjenom odgova-rajućih algoritama, izračunavaju, najčešće se zasnivaju na teorijski razrađenim i razjašnjenim procesima i stanjima u dijelovima. To su naponska stanja, stanja deformacija, teorija kretanja i ravnoteže, dinamička stanja, toplotna stanja i dr. Ova saznanja u visokom stepenu nalaze primjenu u proračunima konstrukcija, ali se mora biti oprezno prilikom njihove primjene. Mnogi modeli i zavisnosti dobijeni su uz čitav niz pretpostavki koje u stvarnosti nisu moguće. Tako naprimjer, često se pretpostavlja idealan materijal, bez rasipanja karakteristika krutosti, tvrdoće i sl., sa linearnim aproksimacijama nelinearnih odnosa itd. Zbog toga se u praksi često koriste koeficijenti kojima se otklanjaju negativni uticaji odstupanja stanja od pretpostavljenog idealnog. Ti koeficijenti se po pravilu određuju na bazi velikog broja eksperimenata.

Bez obzira što je većina fizičkih stanja teorijski razjašnjena, neka stanja i procesi nisu do kraja razrađeni. Osim toga, neki procesi su u tolikoj mjeri složeni da se zbog niza aproksimacija i nepoznatih uticaja matematičke relacije ne mogu koristiti za praktične proračune. U takvim slučajevima proračuni dimenzija i druge analize oslanjaju se na rezultate eksperimenata. Koriste se empirijske zavisnosti, neposredno mjere izabrane veličine u laboratoriji ili u eksploataciji.

Pri dimenzionisanju i oblikovanju dijelova mašinske konstrukcije, konstruktor je pred zadatkom koji mora do kraja da riješi, i odgovorno stane iza rješenja bez obzira u kolikoj su mjeri razrađena teoretska rješenja. Prvenstveno se koriste teorijski modeli uz potrebne korekcije, zatim empirijske zavisnosti i drugi rezultati eksperimenata, a za one detalje gdje nijedan od ovih pristupa nije moguć, konstruktor daje rješenje na osnovu iskustva ili osjećaja.


126

7.1.1. DIMENZIONISANJE NA OSNOVU FUNKCIJE DIJELOVA SKLOPOVA

Na crtežu detalja ili sklopa treba razlikovati:

a) funkcionalne mjere

b) montažne mjere

c) tehnološke mjere

d) slobodne mjere

FUNKCIONALNE MJERE

Neke funkcionalne mjere su definisane projektnim zadatkom (lista zahtjeva). Prema načinu određivanja funkcionalne mjere se mogu svrstati u tri manje grupe.

1) Prva grupa funkcionalnih mjera se određuje proračunom.

Primjer 1.1:

Površinski pritisak se provjerava na zagrijavanje:

pF

l d

;

l

d

Slika 125. Proračun rukavca i posteljice

Primjer 1.2:

Posteljica

Rukavac

F

d

l


127

hdhd hc

cilindardance

Slika 126. Proračun posude pod pritiskom koja mora obezbijediti zapreminu

Ravno dance

r1

h2

d = 2r

max

3

4

2r

p

Torisferično i eliptično dance

h1

h2d = 2r

max pr r

h1

2

2

12

V k d

k

d d

d

3

24

Poluloptasto (sferično) dance

rh2

d = 2r

max

pr

2

V k d

k

d d

d

3

2

Cilindrična ljuska

r

max pr

Slika 127. Koeficijent oblika danceta rezervoara

Zapremina čitavog rezervoara je:


128

V V Vd

h k dc d c D 24

22

3

kD - ovisi od oblika danceta (slika 127).

Obično je:

h

dkc

c 11 1 5, .. . ,

Vd

k k d

dV

k k

c D

c D

33

3

42

42

Dakle, do funkcionalne mjere d se došlo preko funkcije rezervoara. Zadatak je znači da se odredi koja je to funkcionalna mjera.

2) Druga grupa funkcionalnih mjera obuhvata one mjere koje su određene veličinom radnih organa mašina ili potrebnom mjerom za izvršenje neke operacije.

Primjer 2.1:

Ručica

Nosačtereta

l

Funkc.mjera H lR

F

Slika 128. Dizalica

Proračun dizalice:


129

H - visina dizanja (funkcionalna mjera koja diktira proračun)

lR - dužina ručice (veličina koja se određuje prema ergonomskim zahtjevima).

Dužina ručice lR se određuje na osnovu potrebne sile dizanja, kao i na osnovu veličine sile ruke. Dakle, ona zavisi od ergonomskih parametara, tj. od sile koja se može rukom ostvariti u dužem periodu, a da se pri tome čovjek ne umara preko normalnih granica. Kao takva, dužina ručice spada u funkcionalnu mjeru iz prve grupe funkcionalnih mjera.

Primjer 2.2:

Na slici 129 prikazan je postupak određivanja dužine L klizača za obradu metala struganjem.

Mjera diktirana posebnim prostorom za ostvarivanje radne operacije bila bi u ovom primjeru funkcionalna mjera (L > 2l).

l1

lObradak

Radni sto

Klizač

l

L

Slika 129. Određivanje dužine klizača rendisaljke

3) Treća grupa funkcionalnih mjera javlja se kod nosećih struktura. One objedinjuju više dijelova konstrukcije u jednu cjelinu. U ovom slučaju se funkcionalne mjere dobiju na osnovu komponentnih mjera.


130

S1 S2

PrenosnikEM

fmfm

Slika 130. Funkcionalna mjera kao rezultat komponentnih mjera

7.1.2. DIMENZIONISANJE NA OSNOVU NAPONSKIH I DRUGIH STANJA DIJELOVA I SKLOPOVA

U suštini se može reći da su naponska stanja u nekim slučajevima u otpornosti materijala dosta uproštena, tako da se može smatrati da je u svakom mašinskom sistemu prisutno složeno naponsko stanje. U praksi se operiše sa polaznim formulama iz otpornosti materijala, npr:

1. za savijanje:

M

W

M

dd

Mf fdoz

f

doz3

3

32

32.

.

2. za smicanje:

T

W

T

dd

Tdoz

doz03

3

16

16.

.

Otpornost materijala daje formule pod pretpostavkom da su materijali homogeni i izotropni. Međutim, ima materijala koji se tako ne ponašaju. Zbog toga se tako dobijeni naponi moraju korigovati.

Otpornost takođe pretpostavlja da je raspodjela napona ravnomjerna, a u stvarnosti to nije slučaj. Da bi se dobili što tačniji rezultati proračuna, koriste se numeričke metode proračuna, kao na primjer metod konačnih elemenata.


131

Slika 131. Određivanje debljine zida suda pod pritiskom (Zadata je zapremina rezervoara, a treba odrediti debljinu stjenke)

7.1.3. DIMENZIONISANJE NA OSNOVU POTREBNE KRUTOSTI MAŠINSKIH DIJELOVA

Funkcija nekih dijelova mašina može biti onemogućena ako deformacije prekorače predviđenu granicu. Ako se vratilo zupčanog prenosnika savija preko neke određene granice, to dovodi do nepravilnog sprezanja zupčanika ili do neispravnog rada ležaja. Velike deformacije nosećih konstrukcija mogu dovesti do poremećaja međusobnog položaja komponenti od kojih se sastoji ta konstrukcija. Osim toga, funkcija nekih mašinskih dijelova, kao što su opruge, ostvaruje se zahvaljujući tačno određenim deformacijama, a koje se u direktnoj zavisnosti od krutosti tih dijelova.

Deformacije mašinskih dijelova proporcionalne su opterećenju, dimenzijama i načinu oslanjanja. Osim uzdužnih mjera koje se obično određuju na osnovu funkcije mašinskog dijela, dimenzije poprečnog presjeka kao i njegov oblik definišu krutost. To omogućuje da se na osnovu željene krutosti izračunaju dimenzije poprečnog presjeka.

Proračun veličine deformacija nekog mašinskog dijela često je veoma složen. Postoji veliki broj uticaja i složena međuzavisnost. Osim toga, dimen-zionisanje na bazi naponskih stanja je jednostavnije, a kriterijumi su zadovoljeni obično sa manjim dimenzijama presjeka nego po kriterijumu dimenzionisanja na osnovu deformacija odnosno krutosti. To su razlozi da se dimenzije presjeka mašinskih dijelova na osnovu krutosti izračunavaju samo kada je to neophodno.

Obzirom da je za postizanje visoke krutosti potrebno obezbijediti znatno veće dimenzije presjeka nego za obezbjeđenje dovoljne čvrstoće, ponekad se potrebna krutost postiže izborom posebnih oblika, ukrućenjima i slično. To je posebno važno za dijelove od kojih se traži visoka čvrstoća i krutost, a istovremeno je potrebna i mala masa, naprimjer kod vazduhoplovnih konstrukcija, motornih vozila i sl.


132

7.1.4. DIMENZIONISANJE UZ ZADOVOLJENJE ZAKONSKIH PROPISA

Standardi su tehnički propisi koji imaju snagu zakona, što obavezuje sve subjekte da ih primjenjuju. Sve zemlje imaju nacionalne standarde, a na međunarodnom nivou važi ISO - standard koji predstavlja međunarodno usaglašenu preporuku.

Standardom je određeno rješenje nekog proizvoda u okviru većeg broja mogućih varijanti. Od posebne važnosti za konstruiranje je standardizacija dužinskih mjera i drugih numeričkih karakteristika mašinskih dijelova.

Numeričke vrijednosti definisane su standardnim redovima brojeva R5, R10, R20 i R40. To su geometrisjki redovi realnih brojeva sa količnicima 101/5 1.6, 101/10 1.25, 101/20 1.12 i 101/40 1.06.

Brojevi reda R5 se dobiju kako slijedi:

q = 101/5 1.6

an = a1. qn-1

a1 = 1

a2 = 1. 1.62-1 = 1.6

a3 = 1. 1.63-1 = 2.5

a4 = 1. 1.64-1 = 4

a5 = 1. 1.65-1 = 6.3

a6 = 1. 1.66-1 = 10

Obično se glavne mjere usklađuju sa nekim od nizova standardnih brojeva. Naprimjer, ako konstruktori željezničkih vozova uzimaju nosivost vagona po redu R5: 25 t, 40 t, 63 t, 100 t, kao i nosivost pretovarnih dizalica: 250 kg, 400 kg, 630 kg, 1000 kg, time su stvoreni najbolji uslovi za eksploataciju.

Red R40 ima 40 različitih brojeva koji se koriste tako što se množe potencijama broja 10:

1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90

2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.63 2.80 3.00 3.15 3.35 3.55 3.75

4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.30 6.70 7.10 7.50

8.00 8.50 9.00 9.50 10.0

Slika 132. Standardni brojevi reda R40


133

Iz reda R40 lako se mogu izvesti ostali redovi. Red R5 se dobije tako da se uzme svaki osmi član reda R40, red R10 tako da se uzme svaki četvrti član reda R40, red R20 tako da se uzme svaki drugi član reda R40.

Karakteristični oblici i tolerancije dužinskih mjera i oblika takođe su propisane standardima. Oblici navoja, žlijebova, središnjih gnijezda, zubaca, itd. zbog alata, sprezanja, opreme za izradu, sigurnosti u radu, kvaliteta izrade itd. su propisani standardima. Ovi se elementi mogu ukomponovati u bilo koje mašinske dijelove, ali se propisani oblici, dimenzije i drugi parametri moraju usklađivati sa standardom. Za standardne, kao i za nestandardne oblike propisane su i tolerancije oblika i dužinskih mjera.

U praksi je sve više standardnih mašinskih dijelova i sklopova. Postoji veliki broj standardnih vijaka, navrtki, podmetača i osigurača zavrtanjskih veza. Standardni su i kotrljajni ležajevi, dijelovi armatura (ventili, nastavci, zatvarači, navojni priključci, koljena i drugo) i drugi dijelovi. Broj standardnih dijelova se povećava internim standardima, kojima su propisane dimenzije, tolerancije, snaga i druge mjere spojnica, reduktora, elektromotora, opruga, zupčanika, i sl. Korisnici ove proizvode nabavljaju na tržištu i ugrađuju ih kao elemente sklopova i konstrukcija. Konstruktor vrši izbor iz standardnog niza i uklapa u konstrukciju, te njemu prilagođava druge dijelove koji nisu standardni. Tako se u konstruiranju složene konstrukcije preskače faza konstruiranja pojedinih elemenata i ista se zamjenjuje fazom izbora standardnog elementa. Izboru mora da prethodi proračun neke od karakteristika standardnog elementa koji se ugrađuje. Na osnovu izračunate potrebne karakteristike bira se standardni član najbliži proračunatom.

Standardi pokrivaju i postupke proračuna, ispitivanja, označavanja, tehničke dokumentacije, grafičkog prikazivanja i sl. Pravila tehničkog crtanja mašinskih dijelova, postupci proračuna zupčanika, ležaja i drugih elemenata, postupci ispitivanja osobina materijala, ispitivanje buke, vibracija definisani su opšteprihvaćenim propisima, nacionalnim i međunarodnim standardima. Standardizirane su i oznake materijala, fizičkih veličina, radi lakše komunikacije među konstruktorima, tehnolozima i proizvođačima.

7.1.5. TIPIZACIJA

U bliskoj vezi sa standardizacijom je tipizacija, koja ide korak dalje od standardizacije. Tipizacija je odabiranje afirmisanih kvaliteta i oblika sa osnovnom svrhom da ograniči proizvođača na što manji broj različitih izvedbi nekog artikla. Cilj tipizacije je da se ispune izbori onih karakteristika koje su izračunate na najosnovnije zahtjeve tržišta. To vodi masovnosti proizvodnje. Primjer tipizacije su familije asinhronih motora. Masovno se proizvode


134

asinhroni motori snage 4, 6, 10, 16, 25 kW, koji formiraju familiju motora koja daje mogućnost izbora za različite primjene. Članovi familije su geometrijski slični, a formiraju se na osnovu zakona sličnosti standardnih brojeva i Košijevih zakona.

Krajnji cilj tipizacije i standardizacije je specijalizacija, tj. usmjerenje na jedan jedini proizvod (sklop, podsklop ili element). Idealna podjela rada je i zamišljena tako da svaki element ima specijalnog proizvođača koji daje najstabilniji kvalitet i najnižu cijenu.

Primjenom standardnih brojeva mogu se bez posebnog računanja izvesti serije različitih veličina mašina i konstrukcija, kao geometrijski slične izvedbe u praksi isprobanog osnovnog modela. Ako su mjere modela standardni brojevi, biće i mjere izračunatih komada standardni brojevi. Modelni zakoni mogu se primijeniti pod sljedećim uslovima:

a) da naponi istih elemenata svih članova niza budu jednaki ( = const., = const.)

b) da naponi elemenata budu u oblasti elastičnih deformacija (tj. Hukovog zakona)

c) da po mogućnosti sve mjere budu u skladu sa standardnim brojevima

d) da faktor porasta (količnik) u pravcu sve tri dimenzije bude isti

e) da su model i izvedeni komadi napravljeni od istog materijala.

Postoji sistem potpune geometrijske sličnosti elemenata i djelimične geometrijske sličnosti elemenata niza. U sistemu potpune geometrijske sličnosti sve mjere članova niza se mijenjaju u jednakoj razmjeri u sve tri dimenzije, a u sistemu djelimične geometrijske sličnosti ta razmjera nije jednaka. Na nekim mašinama se mora primjenjivati sistem djelimične geometrijska sličnosti, jer je to uslovljeno namjenom mašine.

Za primjenu Rišijevog modelnog zakona prvo se usvaja faktor porasta za dužinu:

r rL

LL

i

gdje je:

L - dužina ma koje mjere matičnog člana,

Li - dužina mjere ma kog člana niza.

Ako na model djeluje sila F, a na izvedeni komad sila Fi, onda je mjera za silu:


135

rF

Ffi

Analogno je mjera za naprezanje r = 1, jer su prema pretpostavci naprezanja na modelu i na izvedenom komadu ista:

= i

= i

Mjere za sve konstante materijala (gustoća , specifična težina , modul elastičnosti E) su takođe iste (r = 1), jer prema pretpostavci model i izvedeni komad moraju biti od istog materijala.

Kao osnovna mjera se uzima dužinska mjera rL = r, iz koje se izvode osnovne mjere na sljedeći način:

za dužinu L rL = r

za površinu A rA = rL2 = r2

za zapreminu V rV = rL3 = r3

za put s rs = rL = r

za silu F = A rF = 1. rA = r2

za masu m = V rm = 1. rV = r3

za ubrzanje a = F/m ra = rF / rm = r2 / r3 = r--1

za vrijeme ts

a

2 r

r

rrt

s

a

za brzinu v = at rv = ra . rt = 1

(brzine u modelu i izvedenom komadu su jednake)

za ugaonu brzinu = v/r r = rv / rL = r-1

za broj okretaja n = 30/ rn = r / 1 = r-1

za rad W = Fs rW = rF. rs = r3

za snagu P = W/t rP = rW / rt = r2

za moment inercije I rI = r4

za otporni moment W rW = r3

za moment inercije masa rIm = r5

U tabeli je za svaku fizikalnu veličinu navedena oznaka svakog reda sa faktorom porasta "n" koji se određuje iz broja stepenovanja odgovarajućeg reda:


136

nN

nRv

1

1

gdje je:

N - broj članova u odabranom redu izeđu krajnjih članova određenih stepenovanim veličinama, uključujući i te članove,

nv - broj stepenovanja osnovne zadate veličine.

Tabela 12.

red.br.

Naziv fizikalne veličine Oznaka Jed. dimenzije

dužinska mjera

Broj stepenovanja reda

1 Napon , N/m2 1 -

2 Specifična težina N/m3 1 -

3 Gustoća kg/m3 1 -

4 Dužina L m r R/n

5 Površina A m2 r2 R/2n

6 Zapremina V m3 r3 R/3n

7 Težina (sila) G N r2 R/2n

8 Masa m kg r3 R/3n

9 Sila F N r2 R/2n

10 Moment M Nm r3 R/3n

11 Rad W J = Nm r3 R/3n

12 Snaga P W = Js r2 R/2n

13 Vrijeme t s r R/n

14 Put s m r R/n

15 Brzina v m/s 1 -

16 Ubrzanje a m/s2 r-1 R/-n

17 Br. okretaja n 1/s r-1 R/-n

18 Ugaona brzina 1/s r-1 R/-n

19 Ugaono ubrzanje 1/s2 r-2 R/-2n

20 Moment inercije površine

I m4 r4 R/4n

21 Otporni moment W m3 r3 R/3n

22 Moment inercije mase

Im kgm2 r5 R/5n

Primjer 1:


137

Prema postojećoj mašini (modelu) nominalne snage P = 63 kW i nonimalnog broja okretaja n = 200 min-1 treba izvesti seriju.

Za svaku veličinu treba odrediti indeks veličine, nominalnu snagu, nominalni broj obrtaja. Iz tabele se dobiju dužinske mjere i oznake redova:

* za dužine mjera r i red R/n

* za snagu mjera r2 i red R/2n

* za broj obrtaja mjera r-1 i red R/-n

U zadatku je osnovna zadata veličina snaga sa brojem stepeni nv = 8 i reda R/2n, pa je nR = 2n, odnosno n = nR/2.

Snaga najmanje mašine mora biti 63/12 = 5.25 kW. Za ovu snagu najbliži standardni broj je 5.3 u redu R40. U redu R40 ima od člana 63 do člana 5.3, uključujući i te članove, ukupno N = 44 člana, pa je:

nN

nRv

1

1

44 1

8 16 14 6.

a broj stepeni je:

nn R 2

3

Traženi redovi su:

* za snagu: R40/-6 (63...)

* za brojeve obrtaja R40/3 (200...)

* za indekse veličine R40/-6 (100...)

Vrijedosti dobijene iz sljedećih redova date su u tabeli 13.

Tabela 13.

Red.br. Indeks veličine [%] Nazivna snaga [kW] Nazivni broj obrtaja [min-1] 1 100 63 200 2 71 45 236 3 50 31.5 280 4 33.5 22.4 335 5 25 16 400 6 18 11.2 475 7 12.5 8 560 8 9 5.6 670

Primjer 2:


138

Treba izraditi standarde za 6 veličina ležajnih rukavaca za opterećenja od 1400 do 8000 N po mjerama izvedenog rukavca prema slici.

F = 4000 N16

25

f7

32

Slika 133. Model rukavca

Iz tabele se dobije:

* za dužine mjera r i red R/n

* za silu mjera r2 i red R/2n

Za stepenovanje veličina dobija se red R40. U njemu je za krajnje članove 1400 N i 8000 N broj članova N = 31. kako je broj stepenovanja veličine rukavca nv = 6, dobija se:

nN

nRv

1

1

31 1

6 16

a broj stepeni je:

nn R 2

3

Traženi redovi su:

* za silu: R40/6 (...4000...)

* za prečnik rukavca R40/3 (...25...)

* za prečnik vratila R40/3 (...35.5...)

Vrijedosti dobijene iz sljedećih redova date su u tabeli 14.

Tabela 14.


139

F [N] 1400 2000 2800 4000 5600 8000

d [mm] 15 18 21 25 30 36

D [mm] 21 25 30 36 43 50

l [mm] 19 22 27 32 38 45

Fl/2

d

l

D

h10

Slika 134. Mjere izvedenih komada na osnovu modela

Za mjere modela 32 i 36 mm uzeti su najbliži standardni brojevi. Vrijednosti dobijene iz redova su zaokružene na cijele brojeve i unesene u tabelu 14.

7.1.6. UNIFIKACIJA

Pojam unifikacije se upotrebljava sa sljedećim značenjima:

kao istovjetan standardizaciji,

kao tipizacija,

svođenje na jedinstveni konstruktivni oblik,

smanjenje broja različitih tipova.

U stranim jezicima ovaj pojam se javlja kao:

Standardisation (Engleski), Normalisierung (Njemački), Unification (Fran-cuski), Unificazione (Talijanski).

Međutim, pojam unifikacije se kod nas razlikuje od pojmova standardizacije i tipizacije. Naprimjer, ugradnja ležajeva istih ili različitih tipova istih ili različitih veličina na naekoj mašini svodi se pod pojam unifikacije u smislu da na raznim mjestima ugradimo iste ležajeve, samo da bi se smanjio broj različitih


140

tipova ležajeva, iako bi se na nekim mjestima mogli ugraditi čak i ležajevi manje nosivosti. Na taj način se komponente u nekoj konstrukciji ujednačuju (unificiraju), što olakšava nabavku ležajeva te olakšava održavanje.

7.1.7. MODULARNO KONSTRUIRANJE

Jedan vid unifikacije našao je svoju primjenu u modularnom konstruiranju. Modeliranje se sastoji u konstruiranju mašina putema spajanja tipiziranih sklopova (agregata), koji sami po sebi čine autonomne sklopove, koji se sastavljaju u različitom broju i u različitim kombinacijama na nekom zajedničkom postolju.

Modularno konstruiranje je doživjelo veliku primjenu kod alatnih mašina, koje se grade na osnovu tipiziranih modula. Modularne konstrukcije se mnogo primjenjuju u vazduhoplovstvu: glavni modulski i pogonski motor, krilo, trup, stajni trap i repne površine za stabilizaciju upravljanja avionom.

Modularne konstrukcije mogu imati sljedeće prednosti:

Razrađivanje različitih konstrukcija, varijanti ili modifikacija, njihova ispravnost, a zatim uvođenje u serijsku proizvodnju može se svaki put ograničiti samo na jedan model, ne dirajući ostale, što olakšava proces modernizacije.

Modularno konstruiranje dozvoljava izradu mašina različite primjene na bazi malog broja modula (tipiziranih sklopova).

Smanjuje ciklus montažnih radova, jer se svi sklopovi mogu sastavljati i ispitivati istovremeno i gotovi dati na konačnu montažu.

Olakšava remont mašina, koji može biti sveden na zamjenu jednog sklopa drugim, novim ili remontovanim.

7.2. IZBOR POLAZNIH ELEMENATA ZA DIMENZIONISANJE I RACIONALNOST ISKORIŠTENJA MASE DIJELOVA

Masa mašine je važan pokazatelj neke mašine. Najveće značenje masa ima kod transportnih sredstava, a posebno u vazduhoplovstvu, gdje svaki suvišni kilogram smanjuje autonomnost (radijus kretanja), korisnu nosivost i brzinu. U opštem mašinstvu smanjenjem mase postiže se manji utrošak materijala, dakle niža cijena mašine.


141

Upoređivanje mašina obzirom na masu može se vršiti samo kod mašina iste namjene. Obično se pokazatelj za ovu svrhu naziva specifična masa i ima izraz:

gG

N

masa ma e

osnovni parametar ma e

sin

sin

Kod energetskih mašina (pogonske mašine, SUS motori, generatori, ...) parametar obično predstavlja snagu u kW. Naprimjer, kod motora sa unutrašnjim sagorijevanjem (SUS) specifična masa za motore različitih namjena iznosi q = 11 20 kg/kW. Specifična masa za standardne motore iznosi:

q = 4 11 kg/kW - brodski motori

q = 2.5 6.5 kg/kW - automobilski motori

q = 0.65 1 kg/kW - avionski motori

Kod transportnih mašina parametar N predstavlja korisni teret (nosivost). Kod alatnih mašina parametar N je nominalna snaga pogonskog agregata (elektromotora). Kod reduktora, mjenjačkih kutija i spojnica parametar N je masa, odnosno obrtni momenat koji oni prenose.

Kad je riječ o smanjenju mase mašine neophodno je pomenuti koeficijent iskorištenja mase metala koji je dat izrazom:

G

G

masa metala gotove ma e

masa metala potrosenog za izradu ma emas

met

sin

sin

Jasno je da pri = 1 imamo idealan slučaj, što je praktično nemoguće, ali treba težiti da bude što bliže broju 1.

Koeficijent iskorištenja metala dokazuje da prilikom izrade mašina ili mašinskih elemenata treba, gdje god je to moguće, izbaciti iz upotrebe mašinsku obradu rezanjem (skidanjem strugotine), odnosno težiti da se dijelovi što je moguće više izrađuju plastičnom deformacijom, livenjem u kalupe, korištenjem profilisanih valjanih proizvoda, zavarivanjem na visoko produktivnim mašinama, i sl. jer će u tim slučajevima biti veće, a to znači manji utrošak materijala (manje nekorisno utrošenog materijala) i manju cijenu mašine odnosno mašinskog elementa.

7.2.1. UTICAJ MASA MAŠINSKOG ELEMENTA

Masa bilo kojeg dijela može se odrediti izrazom:

m = A. L. [kg]

gdje je:


142

- gustina materijala [kg/m3]

A - poprečni presjek [m2]

L - dužina [m]

Proširenjem ovog izraza, tj. njegovim transformisanjem mogu se uočiti i razdvojiti pojedini uticaji. Transformirani izraz pruža mogućnost da se pojedini uticaji na masu zasebno analiziraju radi iznalaženja puteva ka smanjenju mase dijelova. Transformisani obrazac za masu izgleda:

m = k1. k2

. k3

gdje je:

k1 - faktor opštih uslova koji zavisi od sistema oslanjanja opterećenja i raspona i od predviđenih deformacija,

k2 - faktor profila koji zavisi od geometrijskih i statičkih osobina poprečnih presjeka,

k3 - faktor materijala kojim su obuhvaćene određene fizičke i mehaničke osobine materijala.

Prilikom proračuna elemenata u zavisnosti od namjene mogu biti postavljena tri osnovna kriterija:

* kriterij A - kada su za proračun mjerodavni naponi (naponsko stanje, čvrstoća, nosivost)

* kriterij B - kada je za proračun mjerodavna deformacija (krutost)

* kriterij C - kada je za proračun mase mjerodavan deformacioni rad (radna sposobnost).

Uvođenjem tih kriterija obrazac za masu može imati ova tri vida:

m = kA1. kA2

. kA3

m = kB1. kB2

. kB3

m = kC1. kC2

. kC3

Faktori "k" razlikuju se međusobno i zavise od usvojenog kriterijuma i vrste naprezanja (savijanje, zatezanje, pritisak, uvijanje, izvijanje).

Tabela 15. Uticaji na masu mašinskih dijelova za razne vrste naprezanja

Naprezanje zatezanje - pritisak

Za proračun mjerodavna nosivost m FL S

1


143

Za proračun mjerodavna krutost m FLE fdoz

2 11

Za proračun mjerodavna radna sposobnost

m FfE

S

12

2

Naprezanje savijanje

Za proračun mjerodavna nosivost

m k F LA

WS

1

2 3 2 3 5 32 3 2 3

2 3/ / // /

/

Za proračun mjerodavna krutost m k F L

A

I E fdoz

21 2 1 2 5 2

1 2 1 2 1 2

1/ / // / /

Za proračun mjerodavna radna sposobnost

mMf

k L

AI

W

ES

2

2 22

Naprezanje uvijanje

Za proračun mjerodavna nosivost

m T LA

WSt

p

2 32 3 2 3

2 3// /

/

Za proračun mjerodavna krutost m T L

A

I Gt

p doz

1 2 3 21 2 1 2 1 2

1/ // / /

Za proračun mjerodavna radna sposobnost m T

AI

W

GSt

p

p

2 22

Naprezanje izvijanje

Za proračun mjerodavna nosivost m

F L A

I ES

1 2 2

1 2 1 21 2

/

min/ /

/

7.2.2. IZBOR PARAMETARA RADNIH USLOVA

U grupu parametara radnih uslova spadaju opterećenje (F, M, T), zatim način oslanjanja (k1, k2), dužina mašinskog dijela (L), veličina površine


144

poprečnog presjeka (A), gustina materijala (), modul klizanja (G) i modul elastičnosti (E), te stepen sigurnosti (S).

7.2.3. OPTEREĆENJE

Na opterećenje koje djeluje na neki mašinski dio je veoma teško uticati, tj. promijeniti njegovu veličinu. Treba imati u vidu da je moment direktno proporcionalan snazi, a obrnuto proporcionalan ugaonoj brzini, tako da se povećanjem broja obrtaja smanjuje opterećenje.

m/m0

3,0

F/F0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

3,02,52,01,51,00,5

F/F0

(zatezanje i pritisak)

(F/F0)2/3 (savijanje)

(F/F0)1/2 (izvijanje)

0

Slika 135. Uticaj promjene opterećenja na masu mašinskog dijela

Opterećenje (sila ili moment) određuje se raspodjelom radnih otpora ili drugih uticaja na dijelove sklopa. Ukupno spoljno opterećenje se ne može mijenjati jer je definisano projektnim zadatkom. Preraspodjela opterećenja unutar sklopa se, međutim, može mijenjati. Neki dijelovi mogu biti izloženi većim silama da bi drugi trpili manja opterećenja. Osim toga paralelno može biti upotrijebljeno više istovjetnih dijelova što omogućuje raspodjelu i smanjuje opterećenje po jednom od dijelova. Promjena veličine sile na mašinskom dijelu odražava se na promjenu dimenzija, međutim zavisnosti nisu linearne. Ako je porast sile linearan, uticaj na masu je degresivan. Masa se povećava sporije i to znatno sporije pri dimenzionisanju na osnovu potrebne krutosti. Ovo se prvenstveno odnosi na naprezanja kod kojih je napon neravnomjerno raspoređen po površini poprečnog presjeka (kod savijanja i uvijanja). Kod zatezanja ili pritiska, kod kojih je napon konstantan po površini poprečnog


145

presjeka, promjena mase tj. veličine mašinskog dijela ostvaruje se srazmjerno promjeni sile.

7.2.4. DUŽINA MAŠINSKOG DIJELA

Definisana je funkcijom u sklopu, ali pri formiranju strukture se može značajno uticati na ovaj parametar. Uglavnom se teži smanjenju ovog parametra, jer se time postiže prije svega veća krutost dijelova. Na primjer opruga manje dužine je kruća, ili vratilo sa manjim rasponom oslonaca odnosno zbijenijim elementima ima manje deformacije. To doprinosi i smanjenju količine utrošenog materijala, a dijelovi su manjeg gabarita.

Efekat smanjenja dužine je najveći kod dijelova izloženih savijanju jer se time smanjuje i moment savijanja, odnosno potrebna veličina poprečnog presjeka. U cjelini uzeto, zbijenije i kompaktnije konstrukcije racionalnije su sa više aspekata, od smještajnog prostora, manje potrošnje materijala, manje mase, manje potrošnje energije, ljepšeg izgleda i dr.

7.2.5. NAČIN OSLANJANJA

Najmanji naponi i deformacije postižu se kod uklještenih nosača, dok je konzola podložna velikim deformacijama, a i koeficijent napona k1 je najveći. zato pri istoj dužini L i opterećenju F, najveće dimenzije poprečnog presjeka, a time i masu treba očekivati kod konzole. Kod obostrano oslonjenih nosača naponi i deformacije su manji, posebno ako su na krajevima uklještenja.

Uklještenje u osloncu se ostvaruje zakivanjem, vijčanim vezama, zavarivanjem i sličnim načinima spajanja gdje nije omogućena pokretljivost tj. zglobna veza sa osloncem. Po pravilu spojevi predstavljaju slaba mjesta u konstrukciji. Slabljenje nastaje usljed potrebe da se izbuše otvori za zavrtnje ili zakivke, ili usljed rekristalizacije materijala pri zavarivanju. Osim toga, prisutni su i zaostali naponi. Uopšte, na mjestima spajanja treba obezbijediti veći poprečni presjek. Obzirom da je takav oblik složen za izradu, to se presjek usvaja veći po cijeloj dužini nosača. To je rješenje nepovoljno sa aspekta iskorištenja mase, ali je prihvatlivije u poređenju sa teškoćama i cijenom izrade nosača promjenljivog presjeka.


146

k1 = 1

k2 = 1/3

k1 = 1/4

k2 = 1/48

k1 = 3/16

k2 = 7/768

k1 = 1/8

k2 = 1/192

k1 = 1/2

k2 = 1/8

k1 = 1/8

k2 = 5/384

k1 = 1/8

k2 = 1/185

k1 = 1/12

k2 = 1/384

Slika 136. Koeficijenti načina oslanjanja nosača izloženih savijanju

7.2.6. OBLIK POPREČNOG PRESJEKA

Masa mašinskog dijela potpuno je iskorištena ako su naponi u svim tačkama zapremine isti i bliski dozvoljenom naponu. Za naprezanja sa ravnomjernim rasporedom napona po presjeku, kao što su zatezanje i pritisak, ako nema koncentracije napona ovaj uslov je lakše postići. Stanje je znatno složenije kod dijelova izloženih savijanju, uvijanju, ekscentričnom pritisku, složenom naprezanju i sl. Složenost konstrukcije čini stanje kompleksnijim. Potrebno je predvidjeti raspodjelu mase tako da je ona prisutna u onim zonama gdje se očekuju napadna opterećenja odosno naponi. Ove zone nije uvijek moguće predvidjeti, a takođe se često ne može proizvoljno mijenjati raspored masa. Zato je rijedak slučaj u praksi potpuno iskorištenje mase.

Polazeći od izraza koji pokazuju od kojih veličina zavisi masa mašinskog dijela (tabela 15) treba što je moguće više smanjiti odnose A / W2/3, A / Wp

2/3, A / I1/2, A / Ip

1/2. Pri savijanju i uvijanju naponi su raspoređeni po poprečnom presjeku tako da su najveće vrijednosti na krajevima, a najmanje u sredini (na neutralnoj osi jednaki su nuli). Zato je potrebno da se masa što više udalji od neutralne ose. Tako se za istu površinu A povećavaju otporni momenti i momenti inercije.

F F F F


147

A = const = 0,2.. 104 mm2 b) Wp = 5,7. 104 mm3 (228 %)

a) Wp = 2,5. 104 mm3 (100 %)

50 mm

10

75 mm

d) Wp = 21,2. 104 mm3 (850 %)c) Wp = 9,5. 104 mm3 (380 %)

7

100 mm

3,5

200 mm

Slika 137. Uticaj raspoređivanja mase dalje od neutralne ose (za uvijanje)

d / duW / W0

(Wp / Wp0)

2 A / W2/3

1 A / Wp2/3

1

A = const.

(odnos prečnika)0,80,60,40,2

5

4

3

Slika 138. Udaljavanje mase od neutralne ose


148

W = 0,3. 104

(38 %)

W = 1,5. 104

(188 %)W = 0,8. 104

(100 %)W = 1,7. 104

(212 %)W = 1,8. 104

(225 %)W = 0,4. 104

(50 %)

Slika 139. Udaljavanje mase od neutralne ose (za savijanje)

Standardni profili i cijevi imaju oblik presjeka prilagođen potrebnim veličinama odnosa površine i otpornog momenta (momenta inercije). Kod nosača koji su izloženi savijanju pogodniji su oni presjeci kod kojih je masa udaljenija od ose savijanja i ukoliko je ta udaljena masa veća. Ako je mašinski dio izložen uvijanju, potrebno je da profil presjeka bude kružnog oblika, s tim da masa bude što više udaljena od ose uvijanja. U tom pogledu najpogodniji je kružno prstenasti presjek.

Ako u sredini opterećenog presjeka i postoji masa, ona neće biti izložena naponima. Nekada je skupo odstranjivanje mase iz sredine presjeka, pa je u tom slučaju povoljnije ostaviti materijal čak i na mjestima koja nisu opterećena. To je slučaj kad se dijelovi izrađuju rezanjem. Zavareni ili liveni dijelovi se daleko lakše oblikuju sa rebrima, odnosno raspoređivanjem mase prema opterećenosti po presjeku. Standardni valjani I profil je upravo pogodan za upotrebu kod nosača izloženih savijanju, jer je masa kod tog profila koncentrisana na krajevima, gdje su i naponi najveći.

7.3. LAKE KONSTRUKCIJE

Zahvaljujući razvoju vazduhoplovne industrije, razvila se poreba za gradnjom što lakših mašina (mašina smanjene mase). Međutim, danas se ta tendencija raširila i na ostale oblasti mašinske industrije. Lake konstrukcije se koriste sve više jer one pružaju mnoge prednosti (smanjuju transportne troškove, smanjuju se inercijalne sile, korisna nosivost kod transportnih sredstava se povećava na račun smanjenja mase same mašine, itd.).


149

Pojam lake konstrukcije vezan je za mjesto i vrijeme. Cijena čelika u raznim zemljama i njihov odnos prema cijeni lakih metala i legura daju indeks cijena. Laka konstrukcija automatski znači veću cijenu koštanja izrade same konstrukcije. Činjenica je da pri projektovanju i konstruiranju proizvoda oko 70 % troškova pripada troškovima materijala. zato je potrebno da konstruktor raspolaže dobrim znanjem o tehničkim materijalima, i to ne samo o mehaničkim, fizičkim, hemijskim karakteristikama, nego i o cijenama troškova obrade i mogućnostima nabavke. Za opštu mašinogradnju potrebno je ostati u području optimalnih troškova, tzv. normalne lake gradnje. Područje ekstremno lakih konstrukcija ostaje i dalje rezervisano samo za gradnju aviona i drugih letjelica.

Lake konstrukcije se ostvaruju upotrebom lakših legura umjesto čelika, te izborom odgovarajućeg oblika mašinskog dijela.

7.3.1. IZBOR MATERIJALA MAŠINSKIH DIJELOVA

Za izradu dijelova mašinskih konstrukcija najčešće se koriste sljedeći materijali:

* liveno gvožđe,

* čelik,

* obojeni metali i jihove legure,

* lake legure

* sinterovani materijali (sinter),

* nemetalni materijali (nemetali),

* kompozitni materijali (kompoziti).

LIVENO GVOŽĐE može biti obično, legirano, temper liv i nodularni liv. Legirano liveno gvožđe se manje upotrebljava u odnosu na druge vrste. Temper liv i nodularni liv se mnogo više upotrebljavaju.

Sivi liv se upotrebljava u nosačima koji su izloženi pretežno opterećenju na pritisak, jer je čvrstoća sivog liva na pritisak višestruko veća od čvrstoće na zatezanje. Kod profila izrađenih od sivog liva, a izloženih savijanju, potrebna je znatno veća koncentracija mase po presjeku na onom dijelu koji je izložen zatezanju nego na dijelu presjeka izloženom pritisku.

ČELICI. Prednosti čelika kao materijala za izradu dijelova mašinskih konstrukcija su sljedeće:

* veliki modul elastičnosti (E),


150

* velika čvrstoća, pri svim vrstama naprezanja (statička i dinamička),

* promjenom hemijskog sastava bolja su svojstva čelika (legirani čelici),

* termičkom obradom postižemo bolja mehanička i druga svojstva,

* mehaničkim postupkom valjanja i hladnim izvlačenjem dobija se glatka površina i bolja mehanička svojstva (tehnologija proizvodnje žice),

* može se smatrati da je čelik homogen i izotropan materijal, što je osnovna pretpostavka prilikom proračuna konstrukcija.

OBOJENI METALI obuhvataju bakar, aluminijum, cink, olovo, a više od čistih metala upotrebljavaju se njihove legure (mesing, bronza). Modul elastičnoti im je dvostruko manji od čelika i dobro se daju obrađivati livenjem, kovanjem, valjanjem, ... Otporni su na koroziju, tako da im često ne treba dodatna zaštita površine.

LAKE LEGURE su uglavnom legure titana, mangana i drugih metala. Imaju veliku čvrstoću. Koriste se legure silumin (AL, Si), duraluminijum (Al, Mg). Osnovna mana im je visoka cijena u odnosu na čelik. Otporne su na koroziju, mogu se zavarivati i lijepiti.

SINTEROVANI MATERIJALI se izrađuju tako što se metal u praškastom stanju zagrijava i presuje. Na taj način se dobije porozan materijal.

NEMETALNI MATERIJALI obuhvataju kožu, gumu, plastične mase, keramiku i sl.

KOMPOZITNI MATERIJALI se koriste u vazduhoplovstvu, jer imaju veoma malu težinu, a veliku čvrstoću. Dobijaju se lijepljenjem i impregniranjem vlaknastih sintetičkih materijala.

7.3.2. IZBOR GRANIČNIH USLOVA

Granični uslovi određuju dimenzije mašinskog elementa, a time i njegovu masu. Među granične uslove spadaju stepen sigurnosti (S), krutost mašinskog dijela (fdoz., doz.) i sl.

STEPEN SIGURNOSTI se definiše prije izračunavanja dimenzija. Napon u mašinskom dijelu se upoređuje sa dozvoljenim naponom, koji se dobije tako što se kritični napon pri kojem nastupa do loma materijala [] podijeli sa stepenom sigurnosti:

M

W Sdoz.[ ]


151

Ako se želi apsolutna sigurnost, tj. da se eliminiše i najmanja mogućnost pojave kritičnog stanja odnosno loma, dozvoljeni napon se izračunava korištenjem velikih stepena sigurnosti. To smanjuje dozvoljeni napon, povećava dimenzije i masu. Faktor porasta mase je:

rm

mm '

a faktor porasta stepena sigurnosti:

rS

SS '

Međusobna zavisnost ova dva faktora je:

r rm S 2 3/

U izrazima za masu, faktor porasta mase jednak je faktoru poprečnog presjeka:

r r rm A L 2

Iz ovoga se može izvesti formula:

r r r rL m S S 1 2 1 3 3/ /

To znači da, ako se stepen sigurnosti poveća dva puta, dimenzija presjeka će

se povećati rL 23 126. puta, dok će se masa pri tome povećati 1.58 puta. Ta

povećanja važe za savijanje i uvijanje, dok za pritisak i zatezanje vrijedi:

r r rm S L 2

Slijedi da je faktor povećanja dimenzija presjeka:

r r r rL m S S 1 2 1 2/ /

To znači da ako se stepen sigurnosti udvostruči, masa će se povećati 2 puta, a dimenzija presjeka 1.41 puta.

KRUTOST odnosno dozvoljena deformacija je granični uslov za dimenzionisanje onih dijelova za koje treba biti definisana zavisnost sile i deformacije ili za koje deformacija treba biti ograničena do neke određene vrijednosti. Promjena ovako postavljenih granica odražava se na dimenzije poprečnog presjeka, međutim, efekat njihove promjene je manji od efekta promjene stepena sigurnosti. Ako se krutost dijelova izloženih savijanju ili uvijanju promijeni dva puta, promjena dimenzija presjeka, odnosno mase je:


152

m

m

c

c' '.

/

1 2

2 141

Ista promjena stepena sigurnosti odražava se na promjenu mase 1.58 puta.

Primjer:

Ukliještena greda izložena je savijanju. Koliko puta će se smanjiti masa, ako se dozvoljeni ugao udvostruči (2f) a opterećenje, dužina, oblik poprečnog presjeka i materijal ostanu nepromijenjeni?

F

f

L

Slika 140. Primjer proračuna smanjenja mase za dati stepen sigurnosti

Rješenje:

Za proračun je mjerodavna krutost, jer je zadatkom definisan ograničen ugib konzole (f). Polazi se od opšteg izraza:

m k F LA

I E fdoz

1 2 1 2 5 21 2 1 2 1 2

1/ / // / /

m k B k B k Bf

I I I Idoz I

1 2 3 1 2

1/

m k B k B k Bf

II II II IIdoz II

1 2 3 1 2

1/

Obzirom da je:

k B k BI II

1 1

k B k BI II

2 2

k B k BI II

3 3

Ostaje da je:


153

m

m

f

f

f

f

f

fI

II

doz I

doz II

dozII

dozI

1

1

22 1 41

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

/

/

/

/

/

/

( ).

Zaključak: Ako se dozvoljeni ugao udvostruči, pod istim ostalim uslovima, masa grede će se smanjiti za 1.41 (41 %).


154

8. METODE OBLIKOVANJA ELEMENATA

Svaki mašinski element nakon što je zamišljen i konstruiran, mora se izraditi nekom od postojećih metoda (postupaka izrade). Postupci izrade mašinskih elemenata su:

Livenje

Plastična deformacija u toplom i hladnom stanju

Sinterovanje (aglomeracija praha)

Zavarivanje

Lijepljenje

Obrada rezanjem (skidanjem strugotine)

b)a)

c)

141. Varijante izrade poluge: livenjem (a), kovanjem (b) i zavarivanjem (c)


155

Primjena nekog od navedenih postupaka za izradu konkretnog mašinskog elementa zavisi od mnogo faktora, a osnovni kriterij je izraditi potrebni oblik što jeftinije.

Pri tome se mora voditi računa o mogućnostima vlastite fabrike, odnosno o mogućnostima fabrike kooperanta. Termin "što jeftinija proizvodnja" zavisi u velikom dijelu i od količine proizvedenih prmjeraka, odnosno od masovnosti proizvodnje. Na slici 141. su prikazane tri varijante izrade iste poluge, livenjem, kovanjem i zavarivanjem.

Ako je potrebno izraditi npr. nekoliko hiljada komada, pokazalo bi se da su optimalni načini izrade livenje ili kovanje. U svakom slučaju, prilikom odlučivanja o postupku izrade trebalo bi pronaći nekoliko mogućnosti, izvršiti vrednovanje i od svih izabrati optimalan postupak obzirom na cijenu i tehnološke mogućnosti. Ako treba izraditi manji broj komada, reda veličine nekoliko desetina ili još manje, onda je najjeftiniji postupak zavarivanje.

Za izradu dvokrake poluge (slika 141) u principu je poznato da se mogu koristiti sljedeći metodi izrade:

* veliki broj komada - livenje ili ukovno kovanje

* mali broj komada - zavarivanje ili slobodno kovanje

Međutim, postavlja se pitanje gdje su granice za izbor postupaka. Na slici 142 dat je dijagram koji daje cijenu izrade u funkciji broja komada i načina izrade.

slobodno kovanje

zavarivanje

kovanje u kalupe12220

32275

5 livenje

0700600500400300200100

cijena izrade

kovanjezavarivanje

15

10

Slika 142. Cijena izrade u funkciji broja komada i načina izrade


156

Iz slike 142 se vidi da dvokrake poluge izrađene slobodnim kovanjem ne mogu nikada biti najjeftinije. Zavarivanje je najjeftinije za broj poluga do 75. Već iznad 75 komada livenje je jeftinije od slobodnog kovanja, a preko 122 komada isplati se kovanje u kalupu (jeftinije je od slobodnog kovanja). Iznad 75 komada najjeftinije je livenje, a preko 700 komada najjeftinije je kovanje u kalupe.

Navedeni primjer treba da posluži kao ilustracija kako bi trebalo prostudirati izradu bilo kojeg mašinskog elementa u cilju izbora optimalnog načina izrade, uzimajući u obzir sve relevantne faktore. Vrlo često je cilj ušteda materijala i energije, pa se može provesti analiza kao u sljedećem primjeru.

Primjer:

Potrebno je izraditi 10 000 komada vijaka M 10 x 130 (JUS M.B1.031). Njihova ukupna masa je 900 kg.

a) Ako bi se vijci radili od šestougaone šipke OK 17 rezanjem stabla i navoja, potrebna masa materijala za izradu bi iznosila 2632 kg (100 %).

b) Ako bi se izvučene šipke 10 mm raskivale u hladnom kalupu, i izrada navoja vršila rezanjem, potrebno bi bilo 965 kg materijala (36.7 %).

Ušteda materijala po varijanti (b) je:

2632 - 965 = 1667 kg (63.3 %)

Pri izradi vijka od vučene šestougaone šipke dobilo bi se 2632-900 = 1732 kg strugotine (65.7 %), a pri izradi od otkovka 965-900 = 65 kg strugotine (6.7 %).

Na to da li će se neki mašinski element raditi kao otkovak ili ne, utiču uglavnom ekonomski i konstrukcioni faktori. Naprimjer, ekonomska analiza provedena u prethodom primjeru za vijak M10, daje prednost otkovku. Bolje rezultate bi dala analiza u pravcu utroška vremena proizvodnje. naime, pri kovanju u kalupe postoje dvije odojene operacije, izrada otkovka i izrada navoja, dok kod mehaničke obrade rezanjem izvučene šipke se obrađuju samo jednom operacijom na revolver strugu, čime bi utrošeno vrijeme bilo vjerovatno maje, nego kod otkovka. U slučaju kovanja, potrebno je izraditi i alat za kovanje šestougaone glave kojim se može otkovati do 18 000 komada, zavisno od mase otkivka i snage čekića na kojem se kovanje vrši.

Ako će se vijak upotrijebiti na mjestu velikih i promjenljivih naprezanja, upravo konstrukcioni razlozi traže izradu kovanjem uz naknadu izradu navoja valjanjem, kao povoljniju varijantu izrade vijka. Naime, navoj izrađen valjanjem ima daleko veću čvrstoću od navoja izrađenog rezanjem (slika 143).


157

b)a)

Slika 143. Razlike u vlaknastoj strukturi navoja izrađenog rezanjem (a) i valjanjem (b)

8.1. KONSTRUIRANJE ODLIVAKA

Materijali od kojih se izrađuju odlivci su sivi liv, čelični liv, legure bakra, nikla, cinka, itd. Prilikom hlađenja rastopljena masa metala se skuplja, što treba uzeti u obzir pri konstrukciji livenih elemenata. Stepen skupljanja pri hlađenju zavisi od materijala i približno iznosi 1.25 % za legure AlMg, približno 1.5 % za mesing i bronzu, oko 1.8 % za temper liv, i oko 2 % za čelični liv.

Zbog skupljanja pri hlađenju pojavljuju se šupljine i pukotine na odlivku, a time i naponi i deformacije.

Pri konstruiranju odlivaka treba voditi računa o specifičnostima koje nameće sam postupak livenja. Ove specifične osobine su:

a) Odlivak treba da ima što prostiji oblik, tj. treba nastojati da odlivak bude sastavljen iz ravnih i rotacionih površina. Ako je odlivak komplikovanog oblika i velikih dimenzija, treba ga liti iz dva dijela, a poslije sastaviti vijcima ili zavarivanjem.

Konstrukcija odlivaka treba biti takva da obezbijedi minimalan broj jezgara. Pri osvjetljavanju livenog dijela paralelnim zracima u pravcu okomitom na ravan sastava pojava tamnih dijelova na pojedinim dijelovima konture ukazuje na lošu konstrukciju odlivka (slika 144).

Tamni dijelovi traže posebnu primjenu modela (višedjelnih), jer se inače model ne može izvaditi iz kalupa. Odlivci kod kojih nema tamnih dijelova imaju prostiju spoljnu formu i lakše ih je izliti.


158

b)a)

Slika 144. Primjer loše (a) i dobre (b) konstrukcije odlivka

b) Pri konstruiranju livenih dijelova neophodno je predvidjeti vađenje modela iz kalupa bez teškoća. Zbog toga su površine odlivaka i kokile okomite na ravan sastava izrađene pod nagibom. To su takozvani konstrukcioni nagibi.

Tabela 16. Preporučene veličine nagiba spoljnih površina dijelova livenih u pješčanim kalupima

Visina H [mm] Nagib Ugao

(mjeren od vertikale)

do 25 1 : 10 5.5

25 ... 50 1 : 12 4.5

50 ... 100 1 : 15 4

100 ... 200 1 : 20 3

200 ... 500 1 : 30 2

preko 500 1 : 50 1

Kod niskih ispupčenja,konstrukcioni nagib ide i do 50

H

= 30 ... 50

Slika 145. Konstrukcioni nagibi


159

c) Pri konstruiranju odlivaka treba voditi računa o principu prostog i jednovremenog stvrdnjavanja (hlađenja) metala.

Pošto rastopljeni metal popunjava kalup odozdo nagore, treba protočni presjek tako konstruirati da se ne desi da se metal stvrdne u toku livenja i onemogući dalje ispunjavanje šupljine kalupa modela. Na odlivku kod kojeg se vodilo računa o jednovremenom hlađenju neće doći do pojave šupljina i pukotina.

Ponekad se koristi stvaranje šupljina na najdebljim mjestima i namjerno, tzv. izgubljenim (lažnim) glavama. Namjerno se ostavljaju mjesta na modelu u kojima će se sigurno javiti šupljina, a ta se mjesta nakon hlađenja odrežu

Na slici 146. svaki od presjeka D do Dn predstavljaju lažne glave.

šupljinalažna glava

D3

D2

D1

D0

D

Slika 146. Pojava šupljina u odlivku

d) Debljina zida odlivka bira se u zavisnosti od mehaničkih i tehnoloških svojstava metala, konfiguracije, veličine gabaritnih mjera odlivka, kao i funkcije zida. Prekomjerna debljina zida odlivka izaziva pojavu šupljina, pucanje odlivka i dr., te snižava čvrstoću i često dovodi do odbacivanja odlivka.

Minimalna debljina zidova srednjih i malih odlivaka data je u tabeli 17.


160

Tabela 17. Orijentacione vrijednosti minimalnih debljina zidova odlivaka

Veličina odlivka Sivi liv Čelični liv Laki i obojeni metali

do 500 6 8 4

500 ... 1000 6 ... 8 8 ... 10 4 ... 6

1000 ... 1500 8 ... 10 10 ... 12 6 ... 8

1500 ... 2000 10 ... 14 12 ... 16 8 ... 10

2000 ... 2500 14 ... 16 16 ... 20

2500 ... 3000 16 ... 19 20 ... 24

3000 ... 4000 19 ... 22 24 ... 28

4000 ... 5000 22 ... 24 28 ... 35

5000 ... 9000 24 ... 30 35 ... 40

U tabeli 17 gabarit je predstavljen takozvanim uporednim gabaritom:

Nl b h

mm 2

3[ ]

gdje je:

l - dužina odlivka [mm]

b - širina odlivka [mm]

h - visina odlivka [mm]

e) Postepen prelaz od tanjih presjeka ka debljim, pravilno susticanje zidova i dovoljna veličina radijalnog zaobljenja osigurava izradu odlivaka bez defekta pri livenju. Kod pravilne konstrukcije livenih elemenata odnos debljine pri prelazu sa tanjeg na deblji ne smije preći 4:1.

: ' = 4 : 1

'

Slika 147. Maksimalni prelaz debljine kod odlivka


161

f) Pravilan izbor radijusa zaobljenja na mjestima prelaza vrlo je značajan u pogledu kvaliteta livenih elemenata.

r = /3 (za < 25 mm)r = /5 (za > 25 mm)

Slika 148. Radijus zaobljenja kod odlivaka

g) Da bi se povećala krutost livenih elemenata upotrebljavaju se rebra kod pojačanih ili isturenih dijelova, a ponekad čisto iz konstruktivnih razloga. Debljina spoljnih rebara ne treba biti veća od 0.8 sustičuće stjenke. Unutrašnja rebra u cilju lakšeg hlađenja izvode se lakše mase, od 0.6 do 0.7 debljine sustičuće stjenke.

ispravno (rebro opterećeno na pritisak)

neispravno (javlja se istezanje - nepovoljno za odlivke)

F

F

Slika 149. Rebra kod odlivaka

h) Na narednoj slici date su izvedbe glavčina obrtnih livenih elemenata (zupčanici, kaišnici, lančanici i sl.), kojima treba posvetiti veliku pažnju pri konstruiranju. Loša izvedba je pod (a), a bolja pod (b) i (c).


162

b)a)

c)

Slika 150. Konstruiranje livene glavčine

i) U konstruktivnom izvođenju otvora u livenim elementima treba takođe pažljivo prići. Treba voditi računa o otvorima, koji se nakon livenja ne obrađuju i oni koji će biti naknadno obrađeni.

Dodaci materijala na odlivak, na površinu koja se obrađuje, obično iznose:

* Za sivi liv: 2 ... 5 mm

* Za čelični liv: 3 ... 8 mm

* Za temper liv: 2 ... 3 mm

Minimalni prečnici koji se mogu ostvariti livenjem u funkciji opterećeja, zavisno od veličine odlivka, su dati u tabeli 18.

Veličine tolerancija dimenzija odlivaka određuju se prema standardu JUS M.A1.420-423.

Tabela 18. Prečnik otvora kod odlivka

debljina zida [mm] 8 ... 10 20 ... 25 40 ... 50

minimalni prečnik otvora

/ 2 / 3

8.2. KONSTRUIRANJE OTKIVAKA

Kovanjem se obrađuju materijali koji zagrijavanjem prelaze u tjestasto stanje, u kojem udarima mijanjamo oblik bez znatnijih gubitaka materijala. Struktura materijala je bolja nakon kovanja i žilavost je veća, jer pri kovanju materijal mijenja strukturu, koja od zrnaste prelazi u vlaknastu. Značajan je položaj i pravac pružanja vlakana obzirom na napone u tijelu. U većini slučajeva primjena otkovaka uslijedi iz konstruktivnih razloga, naprimjer kod zupčanika u mjenjačkim kutijama, koljenastih i bregastih vratila i sl. Oni


163

elementi koji su izloženi velikom broju dinamičkih opterećenja su jedan od razloga za primjenu otkovaka.

Kovanju se pristupa i iz ekonomskih razloga, jer je kovanje jeftinije bez obzira što su naprezanja takva da ne zahtijevaju izvedbu kovanjem.

Kod ručnog kovanja i malog broja komada koji se izrađuju kovanjem, uzimajući u obzir ekonomske kriterije, kovanje kao postupak izrade nije isplativo, jer se isti broj komada identičnog proizvoda jeftinije može proizvesti livenjem.

Sniženje troškova kovanja postiže se jednostavnijom konstrukcijom sa radijusom bez gomilanja materijala (zavarivanjem se dva kovana elementa spoje u jedan složeniji element).

Neki metali se mogu kovati u hladnom stanju (olovo, bakar, aluminijum), ali se većina metala obrađuje u toplom stanju. Temperatura kovanja se kreće između 900 i 1200C, a zavisi od stepena sažimanja materijala. Osnovne sirovine za kovanje su čelični polufabrikati ili valjani čelici.

Razlikuju se dva postupka kovanja, i to:

* slobodno kovanje i

* kovanje u kalupima (ukovno kovanje).

Ukovno kovanje se izvodi pomoću čekića i prese. Slobodnim kovanjem se mogu izraditi otkivci prostijeg geometrijskog oblika, dok se komplikovaniji oblici izrađuju isključivo u kalupima. Slobodnim kovanjem se dobije loš kvalitet površine i javljaju se velika odstupanja od predviđenih mjera, dok se kovanjem u kalupima dobije kvalitetnija površina i manje odstupanje od utvrđenih mjera.

Slobodno kovanje se primjenjuje kod pojedinačne i maloserijske proizvodnje, dok se za velike serije koristi kovanje u kalupima.


164

8.2.1. OSNOVNA UPUTSTVA ZA KONSTRUIRANJE DIJELOVA ZA IZRADU SLOBODNIM KOVANJEM

a) Izbjegavati konične i kose forme, jer nisu podesne za slobodno kovanje.

Slika 151. Kose forme nisu pogodne za izradu slobodnim kovanjem

b) Preporučuje se davati izbočenja na otkovku samo sa jedne strane.

c) Izbjegavati uzajamno presijecanje cilindričnih površina, kao i presijecanje cilindričnih površina sa prizmatičnim dijelovima.

d) Izbjegavati rebra, jer se teško izrađuju slobodnim kovanjem. Ako su potrebna rebra radi ukrućivanja ili povećanja nosivosti, to se može riješiti tako da se usvoji veći presjek, ili da se rebro izvede naknadno, postupkom rezanja.

e) Na osnovnom dijelu otkovka ne treba raditi izbočenja. U slučaju kada postoji velika razlika u dimenzijama i preporučenom presjeku, u slučaju komplikovanije forme preporučuje se izrada nekoliko prostih otkivaka, a zatim sastavljanje u jednu cjelinu.

ab

a > b

Slika 152. Umjesto rebra se može povećati presjek


165

Slika 153. Izrada složenijeg otkovka zavarivanjem više prostijih otkivaka

8.2.2. OSNOVNA UPUTSTVA ZA KONSTRUIRANJE DIJELOVA ZA IZRADU UKOVNIM KOVANJEM

a) Obzirom na oblik otkovka, konstrukcija treba biti što jednostavnija, jer se na taj način uprošćava alat (kalup) za izradu. Ako je to nemoguće iz konstruktivnog razloga, ovdje se kao i kod slobonog kovanja izrađuju dva ili više prostjih otkovaka, koji se u naknadnom postupku spajaju međusobno vijcima, zavarivanjem ili zakivanjem.

Uvijek treba nastojati da pravac vlakana pada sa pravcem sila. Pravac vlakana ne treba prekidati, lomiti ili naglo skretati.

b)a)

Slika 154. Položaj vlakana materijala kod rezanja (a) i kod kovanja (b)

Mehanički obrađena vlakna su presječena, što je nepovoljno, dok kod kovanja to nije slučaj. Treba nastojati da se daljom mehaničkom obradom i dalje održi kontinuitet vlakana. Naravno, ova preporuka se ne mora uzimati


166

strogo u obzir kod otkovaka koji nisu opterećeni, dakle kod onih koji se kuju iz čisto ekonomskih razloga (jer je to ekonomičniji postupak izrade).

Takođe kod konstruiranja otkivaka treba izbjegavati:

* nagle promjene presjeka, jer u tom lučaju postoji opasnost od pojave pukotina i na otkivku i na alatu. Ako je nemoguće izbjeći promjene presjeka, treba na tom dijelu dati veće radijuse zaobljenja.

* uska i visoka rebra i izbočine koje se teško mogu postići kovanjem.

* savijanje otkovaka u više ravni; ako je to savijanje neophodno, onda ga treba izvesti u kalupu.

b) Konturne površine otkovka moraju imati nagibe iz dva razloga:

* radi lakšeg kretanja materijala pri popunjavanju kalupa,

* radi lakšeg vađenja otkovka iz kalupa.

Veličina ugla nagiba zavisi od vrste materijala, kao i samog otkivka i odnosa visina na otkivku. Ugao nagiba se uzima u rasponu od 6 do 15.

Kao opšte pravilo može se uzeti:

* kod niskih i okruglih otkivaka nagib spoljašnje površine može se uzeti 3, a kod ostalih 7,

* nagibe unutrašnjih površina birati između 7 i 10.

Slika 155. Nagib konturnih površina otkovka

c) Ravan sastava kalupa treba birati tako da se omogući lako kovanje i kretanje materijala. Otkovak treba podijeliti tako da se poslije kovanja može izvaditi. Sučeljavanje kalupa vrši se po podionoj površini (sastav kalupa). Od ove sastavne ravni idu nagibi za kovanje na jednu i na drugu stranu, tj. ova


167

ravan dijeli otkovak na gornji donji dio, odnosno na dijelove od kojih će jedan biti ugrađen u donji, a drugi u gornji kalup.

nepravilnopravilno

Slika 156. Izbor položaja podione površine (sastava kalupa)

Ravan sastava kalupa može biti horizontalna obzirom na pravac udara prese, što je i najčešći slučaj u praksi, a udubljenja mogu i moraju biti u pravcu udara prese.

Šupljine u kalupu moraju imati veću širinu i malu dubinu. Nije povoljno ako se ravan sastava kalupa poklapa sa ravninom promjene. Ovo zbog toga, jer je lakša kontrola sastava kalupa, kao i jednostavnosti alata za krzanje (ivičenje) gotovog otkovka.

Višak materijala skida se krzanjem nakon završenog kovanja. Liniju sastava kalupa po mogućnosti treba izvesti u ravni, a ne po izlomljenij (složenoj) površini, jer je tada teže izraditi donji i gornji dio kalupa.

otkivak

linija sastava kalupa

gornji dio kalupa

donji diokalupa

višak materijala

Slika 157. Višak materijala za krzanje otkovka


168

9. PLANETARNI PRENOSNICI

Prenosnici se općenito mogu podijeliti na standardne i planetarne. Kod standardnih prenosnika rotiraju svi zupčanici samo oko vlastitih osa, koje su nepomično uložene u kućištu ili postolju. Kod planetarnih neki članovi prenosnika - sateliti vrše dva istovremena kretanja, rotiraju uloženi u držaču koji također rotira oko svoje ose uložene u kućištu.

Zupčanici čije se ose poklapaju sa centralnom osom nazivaju se sunčani ili centralni zupčanici. Oni mogu imati vanjsko ili unutrašnje ozubljenje, a mogu biti čelnici (cilindrični) ili stožnici (konusni zupčanici).

Snaga koja se dovodi sunčanom zupčaniku dijeli se na onoliko zupčanika koliko ima satelita. To omogućava niže opterećenje pojedinih zupčanika, a time manje module i potrebno izravnavanje masa. Sateliti omogućuju prenos različitih pogonskih brzina okretanja na jedno gonjeno vratilo, odnosno račvanje dovedene snage na više gonjenih vratila. Sile koje se pri tome javljaju stvaraju parove sila.

Sunčani ili centralni zupčanik ne treba biti posebno uležišten jer može biti vođen satelitima. To omogućuje da brzina vrtnje sunčanog zupčanika bude vrlo visoka (i do 500 s-1) i da se reducira na manju brzniu vrtnje.

Planetarnim prenosnicima se mogu postići vrlo visoki prenosni omjeri, do i = 10000. U tom slučaju je nizak stepen iskorištenja.

+n2

z22

-n1 S S+nS

z1

1putanjasatelita

Slika 158. Centralni zupčanik sa vanjskim ozubljenjem


169

Planetarni prenosnici mogu biti izvedeni u obliku diferencijala, odnosno mehanizma sa dva stepena slobode kretanja, koji se upotrebljavaju kod alatnih mašina da bi se ubrzala povratna (neradna) kretanja, a kod dizalica da bi se omogućio veći broj dizanja.

-n2

2

-n1 S +nS

1

putanjasatelita

z2

Sz1

Slika 159. Centralni zupčanik sa unutrašnjim ozubljenjem

Na slikama 158 i 159 znak (+) se odnosi na vanjsko, a znak (-) na unutrašnje ozubljenje.

Brzina vrtnje satelita se može izračunati po sljedećim obrascima:

n n nz

zn

z

zn

z

zn

z

zS S S21

21

1

2

1

21

1

2

1

Za slučaj na slici 143:

n n nz

zn nS S S2 2

1

21 ( )

Za slučaj na slici 159:

n n nz

zn nS S S2 2

1

21 ( )

n1 [s-1] - broj obrtaja sunčanog zupčanika 1

n2 [s-1] - broj obrtaja satelita 2 oko ose držača S

nS [s-1] - broj obrtaja držača S

n2S [s-1] - broj obrtaja satelita 2 oko vlastite ose

z1 - broj zuba sunčanog zupčanika

z2 - broj zuba satelita


170

z4z2

S

z3z1

Slika 160. Prenosnici sa čelnicima i unutrašnjim ozubljenjem

z2

S

z3

(n3-nS)n3

n2

nS

r2

r3rS

n1r1

(n1-nS)

z1

Slika 161. Prenosnici sa jednim vanjskim i jednim unutrašnjim ozubljenjem

Prenosni omjer za planetarne prenosnike sa slika 160 i 161 iznosi:


171

1

3

S3

S1

z

z

nn

nn

gdje je:



nS [s-1] - broj obrtaja držača S

z1 - broj zuba sunčanog zupčanika 1

z3 - broj zuba sunčanog zupčanika 3

Za diferencijal:

z n z n z z n

nz

zn

z

zn

S

S

1 1 3 3 1 3

13

13

3

1

1

( )

( )

Ako je zupčanik z3 učvršćen (n3 = 0) dobije se planetarni reduktor u pogonu sunčanog zupčanika 1. Prenosni omjer planetarnog reduktora iznosi:

in

n

z z

z

z

zS

1 1 3

1

3

1

1

Budući da je z3 > z1 prenosni omjer in

nS

1 2 .

Praktično se uzima da se prenosni omjer i kreće u granicama od 2,5 do 10.

U tabeli 19 su šematski prikazani najosnovniji tipovi planetarnih prenosnika. U oznakama brojevi 1 i 2 označavaju jednostepene i dvostepene prenosnike, a slova A i I označavaju vanjsko ili unutrašnje ozubljenje sunčanog zupčanika.

Od tipova prikazanih u tabeli 19 najčešće se upotrebljava tip 1AI sa većim brojem simetrično raspoređenih satelita uz uvjet da z1 + z3 bude cijeli broj i djeljiv sa brojem satelita.

Na slikama 162 i 163 je prikazan način grafičkog rješavanja gibanja planetarog prenosnika 1AI. U tačkama dodira pojednih članova nanose se na odgovarajućim poluprečnicima, nacrtanim u mjerilu, izračunate vrijednosti odgovarajućih obodnih brzina (također u mjerilu): v1 = r1

. 1 i v3 = r3. 3, u

smjeru koji odgovara smjeru vrtnje.


172

Tabela 19. Osnovni tipovi planetarnih prenosnika

Prenosni omjeri za nS=0 Jednačina brzine vrtnje 2 I I

r3 = r1 - r2 = r3 - r4

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

ir

r

z

z4 33

4

3

4,

ir r

r r

z z

z z1 32 3

1 4

2 3

1 4,

nz z

z zn

z z

z znS

12 3

1 43

2 3

1 4

1

nz

zn

z

znS1

2

32

2

1

1

nz

zn

z

znS2

3

43

3

4

1

1 A

rS = r1 + r2

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

nz

zn

z

znS1

2

12

2

1

1

2 A A

r3 = r1 + r2 = r3 + r4

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

ir

r

z

z4 33

4

3

4,

ir r

r r

z z

z z1 32 3

1 4

2 3

1 4,

nz z

z zn

z z

z znS

12 3

1 43

2 3

1 4

1

nz

zn

z

znS1

2

12

2

1

1

nz

zn

z

znS2

3

43

3

4

1

S

z3

z4 z2

z1

S

z1

z2

z3

z4

z1

z2


173

Tabela 19. Osnovni tipovi planetarnih prenosnika

Prenosni omjeri za nS=0 Jednačina brzine vrtnje 1 A I

rS = r1 + r2 = r3 - r2 = = (r1 + r3) / 2

r2 = (r3 - r1) / 2

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

ir

r

z

z2 33

2

3

2,

ir

r

z

z1 33

1

3

1,

nz

zn

z

znS1

3

13

3

1

1

nz

zn

z

znS1

2

12

2

1

1

nz

zn

z

znS2

3

23

3

2

1

2 A I

rS = r1 + r2 = r3 - r4

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

ir

r

z

z4 33

4

3

4,

ir r

r r

z z

z z1 32 3

1 4

2 3

1 4,

nz z

z zn

z z

z znS

12 3

1 43

2 3

1 4

1

nz

zn

z

znS1

2

12

2

1

1

nz

zn

z

znS2

3

43

3

4

1

1 I

rS = r1 - r2

ir

r

z

z1 22

1

2

1,

nz

zn

z

znS1

2

12

2

1

1

S

z3

z2

z1

S

z4 z3

z2

z1

S

z2

z1


174

z2

S

z3 z3

n3

n2S

B

nS

AS

r2

rS

n1z1

z1

r2

r1

v3

r3

B

A

2vS

S3

v1

1

2'

1'

S'3'

nSn2S

n3

n1n2

H

Slika 162. Diferencijal sa dva stepena slobode

z3

n3

n2S

B

nS

AS

r2

rS

z1

r2

r1

v3

r3

B

A

2vS

3

2'

S'3'

nSn2S

n3

n2

Slika 163. Prenosnik pri n1 = 0


175

Iz sličnosti trokuta r3 v3 3 i trokuta h n3 3' za tačku B dodira satelita 2 i centralnog zupčanika 3 dobija se odnos:

n

h

v

r3 3

3

, odnosno hr n

v

3 3

3

Budući da je v3 = r3. n3, proizilazi da je h = 1. Prema općoj jednadžbi

h. v = r. n dobije se da linija GH na razmaku h od apscise predstavlja brzine vrtnje pojedinih organa prenosnika.


176

10. LITERATURA

1. Beitz, W., Küttner, K.H.: ... Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag Berlin, 1980.

2. Deker, K.H.: ....................... Elementi strojeva - prevod, Sveučilišna naklada Zagreb, 1986.

3. Fronius, S.: ......................... Konstruksionslehre - Autriebselemente, Veb Verlag Tehnik, Berlin, 1983.

4. Gavrić B.: ........................... Mašinski elementi, Mašinski fakultet u Sarajevu, 1986.

5. Gavrić B.: ........................... Nauka o konstruiranju, Mašinski fakultet u Sarajevu, 1986.

6. Gavrić B.: ........................... Osnovi konstruiranja, predavanja na Mašinskom fakultetu u Zenici, 1990.

7. Hubka V.: ........................... Principles of Engineering Design, Butterworth Scientific, London, 1982.

8. Kovač B. i dr.: .................... Praktičar 3 (Strojarstvo 2), Školska knjiga, Zagreb, 1973.

9. Kristić, R.: .......................... Mašinski elementi I i II, Metalurški fakultet u zenici, 1985.

10. Mijović B.: ....................... Osnove konstruiranja, proračun strojnih konstrukcija, konstruiranje pomoću računala (CAD), Mašinski fakultet u Zenici, 1996.

11. Nieman, G.: ...................... Maschinenelemente, tom I, II, Berlin, 1973.

12. Oberšmit E.: ..................... Zupčani prenosnici, Sveučilišna naklada, Zagreb, 1981.

13. Oberšmit E.: ..................... Nauka o konstruiranju, Metodičko konstruiranje i Konstruiranje pomoću računala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Liber Zagreb, 1985.


177

14. Ognjanović M.: ................ Metodika konstruisanja mašina, Mašinski fakultet, Beograd, 1990.

15. Olević S.:.......................... Tehničko crtanje, Univerzitet u Sarajevu, 1995.

16. Olević S.:.......................... Nacrtna geometrija, Mašinski fakultet u Zenici, 1997.

17. Orlov, P.I.:........................ Osnovi konstruiranja, Moskva, 1973.

18. Padovan L. i dr.: ............... Inženjerska grafika i dokumentiranje, Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb, 1996.

19. Repčić, N.:........................ Zbirka zadataka iz mašinskih konstrukcija, sarajevo, 1996.

20. Savić Z. i dr.: .................... Inženjersko mašinski priručnik II, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd, 1987.

21. Vitas, D.: .......................... Osnovi mašinskih konstrukcija I i II dio, Naučna knjiga Beograd, 1985.

22. Vitas, D., Trbojević, M.: .. Mašinski elementi I, II, III, Naučna knjiga Beograd, 1986.

23. Vukojević, D.: .................. Kinematika sa teorijom složenih mehanizama, Mašinski fakultet u Zenici, 1997.

24. Vukojević, D.: .................. Dinamika, Mašinski fakultet u Zenici, 1990.

25. Standardi: ISO, DIN, JUS, ГОСТ

26. Katalozi: SKF, FAG, Flender

KONSTRUIRANJE POMOĆU

RAČUNARA (CAD)

Samir Lemeš

Konstruiranje pomoću računara (CAD)

179

1. OSNOVNE DEFINICIJE

CAD Computer Aided Design Konstruiranje pomoću računara

CAM Computer Aided Manufacturing Proizvodnja upravljana računarima

CIM Computer Integrated Manufacturing

Integrisani sistem računarima upravljane proizvodnje

CAE Computer Aided Engineering Rješavanje inženjerskih problema uz upotrebu računara

CAP Computer Aided Planning Planiranje pomoću računara

CAQ Computer Aided Quality Upravljanje kvalitetom pomoću računara

CNC Computerized Numerical Control

Mašine sa numeričkim upravljanjem pomoću računara

CAD sistem je kombinacija računarskog hardware-a i software-a koji omogućuje da se na jednostavan i brz način konstrukcija prikaže na različite načine, sa različitim stepenom povećanja ili smanjenja slike. Osim toga, računar može memorisati međuzavisnosti komponenti konstrukcije, tako da se prilikom promjene jedne vrijednosti automatski ažuriraju sve ostale veličine koje od nje zavise.

Do sredine osamdesetih godina svi CAD sistemi su bili namjenski konstruirani računarski sistemi, dok je danas CAD software pristupačan i u verzijama koje se mogu pokrenuti i na široko rasprostranjenim računarima opšte namjene (PC ili grafičke radne stanice).

Termin CAD/CAM podrazumijeva da se isti sistem koristi i u procesu konstruiranja i u procesu proizvodnje, tj. izrade konstrukcije. Naprimjer, kada se konstrukcija modelira pomoću CAD komponente CAD/CAM sistema, CAM komponenta upravlja mašinom za realizaciju te konstrukcije.

CAE je računarski sistem za analizu inženjerskih konstrukcija. Većina CAD sistema imaju integrisanu CAE komponentu, ali postoje i nezavisne CAE


180

aplikacije koje služe za analizu konstrukcija kreiranih pomoću različitih CAD sistema. CAE aplikacije simuliraju ponašanje konstrukcije pod uticajem raznih vanjskih opterećenja, mehaničkih, termičkih i sl.

CAM je računarski sistem koji služi za automatizaciju industrijske proizvodnje. CAM sistemi se koriste za upravljanje proizvodnjom u realnom vremenu (jedino računar može dati dovoljno brz odziv na vanjske uticaje), za upravljanje robotima, te za izbor i snabdijevanje materijalima. Sve navedeno podrazumijeva da se količina materijala, poluproizvoda i proizvoda od kojih se konstrukcija izrađuje, prati pomoću računarske baze podataka, tako da se isti mogu blagovremeno nabavljati u skladište.

CAM se najčešće realizuje preko CNC mašina. Za razliku od NC mašina, koje instrukcije za pokretanje alata i obratka primaju preko posebno pripremljenog numeričkog koda, kod za upravljanje CNC mašina se generiše direktno pomoću računara. Sastavni dio CNC mašine je i računar.


181

RAČUNARSKI SISTEMI

Računar je programabilna mašina (uređaj koji je u stanju da izvršava programe). Dvije su osnovne karakteristike računara:

* Računar reaguje na određeni skup instrukcija na tačno određeni način.

* Računar je u stanju izvršiti program (uređeni niz instrukcija snimljen na odgovarajući memorijski medij).

Savremeni računari su digitalni elektronski uređaji. Sastoje se od dviju komponenti:

Hardware je skup fizičkih komponenti računara - kablovi, tranzistori, integrirana kola, štampane ploče, monitori, tastature, štampači i dr.

Software je skup instrukcija i podataka koje računar obrađuje ili pohranjuje u memoriju.

Razlika između hardware-a i software-a se može objasniti na analogiji sa knjigama: Papir i mastilo su hardware, a riječi, rečenice i ukupna ideja knjige čine software. Računar bez software-a je kao knjiga sa praznim stranicama. Da bi se računar mogao koristiti potreban je software, baš kao što su potrebne riječi da bi knjizi dale određeno značenje.

Računari mogu biti specijalizirani (naprimjer oni ugrađeni u CNC mašine, ili bilo koje druge uređaje; savremeni automobili imaju ugrađene specijalne računare koji se koriste za regulaciju potrošnje goriva, temperature motora i sl.). Računari opšte namjene se mogu koristiti za veliki broj različitih operacija, od obrade teksta i komuniciranja, preko proračuna, do obrade i pohranjivanja slike i zvuka (multimedija). Svi računari opšte namjene sastoje se od sljedećih komponenti:

* Radna memorija omogućuje računaru da pamti podatke i programe, privremeno, za vrijeme rada računara.

* Trajna memorija služi za trajno pohranjivanje podataka i programa i kada je računar isključen. Danas se najviše koriste magnetni i optički diskovi.

* Ulazni uređaji služe za unos podataka i instrukcija. Najčešći ulazni uređaji su tastatura i miš.

* Izlazni uređaji služe za prikazivanje rezultata rada računara - monitor, štampač ili ploter.


182

* Mikroprocesor je srce računara, elektronska komponenta koja u stvari izvršava instrukcije.

Osim navedenih komponenti, postoje još mnoge druge koje omogućuju navedenim osnovnim komponentama da čine jedinstven sistem koji radi efikasno. Naprimjer, svaki računar mora imati i sabirnicu (bus) koja služi za transfer podataka i instrukcija iz jedne komponente računara u drugu.

Računari se mogu podijeliti po veličini i snazi kako slijedi:

PC (Personal computer): Mali, jednokorisnički računar. PC ima mikroprocesor, 4 do 32 MB radne memorije, tastaturu i miša za unos podataka, monitor kao izlazni uređaj i disk za trajno pohranjivanje podataka. Jedan PC koristi samo jedan korinik istovremeno.

Radna stanica (Workstation): Snažniji jednokorisnički računar. Za razliku od PC-ja ima moćniji mikroprocesor i grafičke komponente boljih performansi (monitor i skup komponenti za prikazivanje slike).

Mini računar (Minicomputer): Višekorisnički računar koji istovremeno može koristiti od 10 do par stotina korisnika, putem terminala. Koristi se zajednički mikroprocesor i mediji trajne memorije.

Mainframe: Snažniji višekorisnički računar koji omogućuje istovremeni rad više stotina korisnika.

Supercomputer: Ekstremno brzi računar koji je u stanju izvršiti milijarde instrukcija u sekundi.

PC računari su danas u najširoj upotrebi, a dizajnirani su za indivudalnog korisnika. Cijena PC računara se kreće od dvije do desetak hiljada DM. U praksi se koriste za obradu teksta, stono izdavaštvo (DTP), proračune različitih vrsta, manje baze podataka, jednostavniju grafiku, te komunikacije (razmjena podataka i telefaks poruka).

PC računari su se pojavili krajem sedamdesetih godina. Jedan od prvih i najpopularnijih personalnih računara je bio APPLE II, kojeg je 1977. proizvela firma Apple Computer. Početkom osamdesetih počela je nagla ekspanzija novih modela i konkurentskih operativnih sistema. 1981. IBM je izbacio na tržište svoj prvi personalni računar, poznat kao IBM PC. IBM PC je brzo postao neka vrsta standarda, tako da se većina proizvođača prlagodila tom standardu. Jedna od nekoliko kompanija koje su ostale na tržištu kao konkurencija IBM-u je Apple Computer, koja je do danas ostala glavni konkurent IBM-u.

Ostale kompanije, mahom sa Dalekog istoka, su se prilagodile dominaciji IBM-a tako što su počele sa proizvodnjom jeftinih "klonova", odnosno računara koji su u osnovi bili identični IBM PC-ju, i bili su u mogućnosti koristiti isti software, jer su koristili iste mikroprocesore. Danas IBM nema više dominaciju


183

na tržštu PC-ja, a mnoge inovacije IBM-a tržište nije prihvatilo (MCA arhitektura sabirnice, OS/2 operativni sistem itd.). Danas je svijet PC-ja podijeljen na Apple Macintosh i PC računare. Apple Macintosh računari su zasnovani na Motorola mikroprocesorima, a PC (IBM i klonovi) su zasnovani na nekom od Intel mikroprocesora.

Iako je osnovna karakteristika PC-ja da je on jednokorisnnički sistem, sve češće se PC računari povezuju u računarske mreže (Computer Network), koje omogućuju da se resursi računara dijele na više korisnika u mreži (naprimjer zajednički diskovi, štampači, modemi i sl.).

Granica između radnih stanica i PC računara se sve više gubi, jer "High-end" modeli Macintosh i PC računara (naprimjer PowerPC ili PowerMac) nude iste grafičke i procesorske mogućnosti kao i "Low-end" radne stanice kompanija Sun Microsystems, Hewlett-Packard, SGI i DEC.

Radne stanice su prvenstveno razvijene za inženjerske (CAD/CAM) aplikacije, razvoj software-a, te za ulogu servera (poslužitelja) u računarskim mrežama, odnosno za sve ono što pred mikroprocesor i grafičke komponente postavlja visoke zahtjeve.

Radne stanice su obično opremljene velikim monitorom visoke rezolucije slike, velikom količinom radne memorije (64 do 256 MB), komponente za pristupanje računarskoj mreži, te grafički operativni sistem. Najčešći operativni sistem radnih stanica je UNIX sa OpenWindows ili X Windows grafičkim sučeljem.

Vodeći proizvođači radnih stanica su Sun Microsystems, Hewlett-Packard Corporation, Silicon Graphics Incorporated, i Digital Electronics Corporation.


184

HARDWARE

Bez obzira da li se radi o PC ili radnoj stanici, računari koji se koriste za CAD sastoje se uglavnom od istih komponenti. Te komponente su sljedeće:

Mikroprocesor

Osnovna ploča sa BIOS-om

RAM memorija

Grafička kartica

Disk

Monitor

Tastatura i miš

Mrežna kartica, faks-modem, zvučna kartica, TV kartica i sl.

Mikroprocesor je silikonski čip koji je u stanju izvršavati instrukcije. Mikroprocesori se mogu podijeliti po dva kriterija.

Prvi kriterij je "Bandwidth", odnosno broj bita koje se obrađuju u jednoj instrukciji ("Bit", odnosno binarna cifra - 0 ili 1, je najmanja jedinica informacije). Tako mikroprocesori mogu biti 16-bitni, 32-bitni, 64-bitni.

Drugi kriterij je brzina mikroprocesora. Mjeri se megahercima (MHz) i određuje broj instrukcija koje mikroprocesor može izvršiti u jedinici vremena.

U oba slučaja, veći broj predstavlja snažniji mikroprocesor. Naprimjer, 32-bitni mikroprocesor na 50 MHz je snažniji od 16-bitnog na 25 MHz.

Osim ovih kriterija, po unutrašnjoj izvedbi elektronskih komponenti mikroprocesora, mikroprocesori mogu biti RISC (Reduced Instruction Set Computer) ili CISC (Complex Instruction Set Computer).

Najvažniji proizvođači mikroprocesora za PC računare su: Intel, AMD i Cyrix.

Intel mikroprocesori koji se danas koriste su Pentium, Pentium Pro, MMX i Pentium II (Klamath). Ovi mikroprocesori se proizvode sa različitim brzinama, od 100 do 300 MHz. Osim njih, koristili su se i 8086, 80286, 80386 i 80486, ali se ti mikroprocesori više ne proizvode. Svi ovi mikroprocesori su kompatibilni


185

unazad, tj. snažniji modeli mogu izvršavati programe dizajnirane za slabije mikroprocesore.

Cyrix je američka kompanija osnovana 1988. godine. Njihovi mikroprocesori su nešto jeftiniji od Intelovih. Postoje 5x86 i 6x86 modeli, koji su paralela Intel Pentium i Pentium Pro mikroprocesorima. Zanimljivo je što se uz stvarnu brzinu rada mikroprocesora, uz oznaku modela daje i uporedna brzina sa Intel procesorom; naprimjer 6x86 166+ radi na 120 MHz, ali daje performanse veće od Intel Pentiuma na 166 MHz.

AMD (Advanced Micro Devices) takođe proizvodi mikroprocesore sa arhitekturom sličnom Intelovim modelima, a najpoznatiji su modeli K5 (u rangu Intel Pentiuma) i K6 (u rangu Intel Pentium MMX procesora).

Motorola Inc. je jedan od vodećih proizvođača mikroprocesora za Apple Macintosh računare i Silicon Graphics radne stanice. 1993. godine, Motorola je u saradnji sa Apple Computer i IBM dizajnirala novu RISC arhitekturu mikroprocesora - PowerPC.

Digital Equipment Corporation proizvodi seriju snažnih i skupih Alpha mikroprocesora koji se koriste u DEC radnim stanicama.

Sun Microsystems u svojim radnim stanicama koristi SPARC mikroprocesore.

Osnovna ploča služi za smještaj ostalih komponenti. Izbor osnovne ploče je ograničen mikroprocesorom, tj. za svaki mikroprocesor se proizvodi poseban tip osnovne ploče. Neke osnovne ploče podržavaju istovremeno korištenje više mikroprocesora (naprimjer Dual Pentium Pro).

RAM (Random Access Memory) Radna memorija, odnosno fizička memorija u unutrašnjosti računara. Termin "radna" se koristi da bi se napravila razlika od vanjske memorije, odnosno diskova.

Računar može manipulirati samo sa podacima koji se nalaze u radnoj memoriji. Svaki program koji se pokrene mora se prvo kopirati sa diska u radnu memoriju. Količina radne memorije je veoma važna, jer određuje koliko programa se može pokrenuti istovremeno i koliko podataka može biti trenutno na raspolaganju datom prograu.

Budući da je cijena RAM memorije visoka u odnosu na diskove, računari obično nemaju dovoljno radne memorije za pohranjivanje svih potrebnih podataka, koristi se tehnika zvana "Swapping", pomoću koje se dio podataka kopira iz radne memorije na disk po potrebi, kad se popuni radna memorija. Kad se dio podataka kopira sa diska u RAM, ista količina podataka se iz RAM-a snima na disk. Taj dio podataka se naziva "virtualna memorija". Što računar ima više radne memorije, to će brže izvršavati programe koji koriste velike


186

količine podataka (biće manje potrebe za swapping-om, koji je spor proces jer koristi diskove koji su znatno sporiji od RAM memorije).

Kapacitet RAM-a se izražava u megabajtima (MB). Osnovna jedinica za kapacitet memorije je Byte (bajt). To je ona količina memorije koja može da sadrži jedno slovo, znak ili cifru. Izvedene jedinice su kilobajt (1 kB = 1024 B), megabajt (1 MB = 1024 kB), gigabajt (1 GB = 1024 MB), terabajt (1 TB = 1024 GB).

Grafički adapter je komponenta računara koja omogućuje kreiranje slike na monitoru. Svaki adapter omogućuje nekoliko načina rada. Dva osnovna načina rada su tekstualni (prikazuje samo znakove iz ASCII seta) i grafički režim rada (može prikazati bilo koju bit-mapiranu sliku). U grafičkom režimu rada, moguć je prikaz slike u različitim rezolucijama (broju tačaka od kojih se sastoji slika po jedinici površine) i sa različitim brojem boja.

Većina modernih grafičkih adaptera sadrži vlastitu memoriju, tako da se RAM rastereti od memorisanja slike. Osim toga, neki adapteri imaju i vlastiti koprocesor, koji preuzima dio posla od mikroprocesora za grafičke kalkulacije, čime se mikroprocesor rasterećuje, rad ubrzava, pa se ovi adapteri zovu "Graphics accelerators". Grafički adapteri se nazivaju "Graphic Adapters", "Video Adapters", "Video Cards", "Video Boards".

Disk služi za trajno pohranjivanje podataka, i za razliku od RAM memorije, za to mu nije potrebno stalno napajanje energijom. Koriste se magnetni i optički diskovi.

Magnetni diskovi rade na istom principu kao i audio i video trake, samo što je medij za pohranjivanje podataka u obliku okruglog diska, a ne u obliku trake. Na magnetni disk se podaci mogu snimiti, brisati i čitati. Koriste se dvije vrste magnetnih diskova:

Disketa (Floppy Disk): Prenosivi medij kapaciteta 1.44 MB,

Tvrdi disk (Hard Disk): Hermetički zatvoren disk koji se nalazi u kućištu računara. 2 do 20 puta brži od diskete, a kapaciteti se kreću od 20 MB do nekoliko GB. Po načinu komunikacije sa mikroprocesorom i memorijom mogu biti IDE (sporiji i jeftiniji) i SCSI (brži i skuplji)

Optički diskovi memorišu podatke tako što se buše mikroskopska udubljenja na plastičnom mediju pomoću lasera. Za čitanje podataka koristi se laserski zrak koji detektuje udubljenja prema refleksiji. Optički diskovi imaju veći kapacitet od magnetnih, ali su sporiji. Najčešći su:

CD ROM: Dimenzija istih kao i audio Compact Disc; Podaci koji su fabrički snimljeni na CD ROM se ne mogu mijenjati ili brisati, tj. služe samo za čitanje (Read Only Memory).


187

WORM: (Write Once, Read Many times) Diskovi na koje se podaci mogu zapisati jedanput, a zatim se koriste kao ROM.

Kombinacija optičkih i magnetnih diskova koristi laserski zrak za precizniji rad magnetne glave, a podatke memoriše na principu magnetnog diska.

Monitor je važna komponenta CAD računarskog sistema, jer su CAD crteži često složeni, sa velikim brojem sitnih detalja, a CAD aplikacije imaju veliki broj informacija i alatki za crtanje, koje takođe zauzimaju dio slike. Zbog toga je važna karakteristika monitora njegova veličina. Ona se izražava kao i kod TV aparata, u veličini dijagonale ekrana. Najčešća veličina PC monitora je 14 inča (35 cm). Za CAD se koriste veći monitori, od 17 ili 21 inča.

Rezolucija monitora je broj tačaka od kojih je sastavljena slika po jedinici površine. Koriste se sljedeće rezolucije; 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 i 1600x1200. Moguća rezolucija sa datim brojem boja, osim od monitora, zavisi i od grafičkog adaptera.

Tastatura i miš su standardni ulazni uređaji, a za CAD programe se koristi i grafički tablet. Uređaji slični mišu su trackball i touchpad.

Mrežna kartica, faks-modem, zvučna kartica, TV kartica i sl. su komponente koje proširuju mogućnosti računara, ali bez kojih računar može ispuniti svoju osnovnu namjenu. Neophodni su za multimediju.


188

SOFTWARE

Software čine podaci i programi za upravljanje podacima. Podaci koje računar može obrađivati su tekst, brojevi, slika i zvuk, a svi moraju biti digitalizovani, tj. prevedeni u kod napisan pomoću binarnih brojeva.

Program je niz instrukcija, napisanih određenim redoslijedom, i snimljenih na disk pod određenim imenom, tako da kao cjelina izvršavaju neki zadatak. Programi za računare se mogu podijeliti na sistemski software i na aplikacije.

Sistemski software (ili operativni sistem) čini skup programa koji služe za upravljanje hardware-om, te za komunikaciju čovjeka i računara.

Aplikacije su specijalizovani programi koji služe za obradu teksta, crtanje, komuniciranje, obradu baza podataka, proračune itd.

Operativni sistemi se mogu podijeliti po nekoliko kriterija.

Prema broju korisnika mogu biti

Jednokorisnički (tipično za PC, namijenjeni za korištenje samo jednog samostalnog računara; primjeri su MS DOS, MS Windows 3.1)

Višekorisnički (omogućuju korištenje računarske mreže; primjeri su MS Windows 3.11, MS Windows 95, MS Windows NT, UNIX, Novell Netware, OS/2, Macintosh System 7.5)

Volume in drive C is MS-DOS_6 Volume Serial Number is 2078-3D8C Directory of C:\

DOS <DIR> 04-08-96 7:44aWINDOWS <DIR> 04-08-96 7:05pUTIL <DIR> 06-04-96 1:11pWINA20 386 9,349 05-31-94 6:22aCOMMAND COM 54,645 05-31-94 6:22aAUTOEXEC BAT 575 04-08-96 8:17pCONFIG SYS 537 04-08-96 9:45p7 file(s) 67,462 bytes 102,662,144 bytes free

C:\>

Slika 164. Operativni sistem s komandnom linijom (MS DOS)


189

Prema načinu komunikacije na relaciji korisnik-računar, operativni sistemi mogu biti:

a) Sistemi sa komandnom linijom (primjeri su MS DOS i UNIX). Instrukcije se zadaju tako što se naredbe u komandnoj liniji kucaju direktno pomoću tastature. Kako rade u tekstualnom režimu rada, izvršavaju se brže, ne zahtijevaju posebno jak hardware, ali se zato teško uče (naredbe je potrebno znati napamet). Simbol koji se koristi da označi kada je računar spreman za unošenje nove naredbe se naziva PROMPT.

b) Grafički operativni sistemi (sve vrste Windows operativnih sistema).

Slika 165. Grafički operativni sistem (MS Windows 95)

GUI (Graphical User Interface) je korisničko sučelje, koje koristi grafičke mogućnosti računara da bi programi bili lakši za upotrebu.

Grafički operativni sistemi uvode sljedeće nove pojmove:

Pointer je simbol koji se koristi za izbor objekata i naredbi sa ekrana. Obično je pointer u obliku strelice. Pointer se pomjera pomoću miša, trackball-a ili touchpad-a.

Slika 166. Različiti oblici pointera


190

Icon (ikona) je mala sličica na ekranu koja predstavlja naredbu, datoteku ili prozor. Naredba predstavljena ikonom se izvršava obično tako što se pomoću miša pointer dovede na ikonu, a zatim se pritisne, jednom ili više puta, tipka na mišu. Ikone se mogu pomjerati po ekranu kao što se pomjeraju stvarni objekti po radnom stolu.

Slika 167. Ikone

Desktop: Radna površina na ekranu na kojoj se nalaze svi ostali objekti (ikone i prozori)

Windows (prozori): Ekran u grafičkom operativnom sistemu se može podijeliti na nekoliko nezavsnih površina. Ti uokvireni dijelovi ekrana se nazivaju prozori (Windows). Svaki prozor se ponaša kao poseban monitor, tj. za istovremeno korištenje više programa otvara se odgovarajući broj prozora na ekranu. Veličina i položaj prozora se obično mogu proizvoljno mijenjati.

Menu: Većina programa omogućuje da se naredbe (instrukcije) izvršavaju pomoću menija - spiska naredbi koje je moguće izvršiti.

Slika 168. Prozor sa menijima


191

Prvo grafičko sučelje (GUI) je razvio Xerox Corporation's Palo Alto Research Center sedamdesetih godina, ali nije ušao u širu upotrebu do pojave Apple Macintosh računara. Razlog sporom usvajanju GUI-ja su bili visoki zahtjevi u pogledu hardware-a.

Najrašireniji grafički operativni sistem na svijetu je svakako Microsoft Windows, koji je po nekim procjenama instaliran na 90% personalnih računara. Preostalih 10% su uglavnom Macintosh računari i grafičke radne stanice sa OpenWindows ili X Windows grafičkim sučeljem pod UNIX-om.

Postoje različite verzije operativnih sistema, pa tako MS Windows koji se danas koriste nose oznaku MS Windows 3.1, Windows for Workgroups 3.11, Windows 95, Windows NT Workstation i Windows NT Server. Svaka od verzija ima svoje zahtjeve za hardware-om, odnosno određenu količinu RAM memorije, snagu mikroprocesora itd.

Savremene CAD aplikacije se izrađuju obično u više verzija, za primjenu na različitim operativnim sistemima, ali najčešće je to UNIX ili Windows NT.

IZRADA TEHNIČKE DOKUMENTACIJE POMOĆU RAČUNARA

U inženjerskoj praksi, računari se najviše koriste za izradu tehničke dokumentacije, od obrade teksta, proračuna i izrade crteža, do izrade simulacija realne konstrukcije na ekranu ili izradu materijalnog 3D modela nekom od metoda, naprimjer stereolitografijom.

Za razliku od ranih osamdesetih godina, kada je postojalo relativno malo gotovih aplikacija, računari su se koristili u najvećoj mjeri tako što su pomoću nekog od programskih jezika (Fortran, C, Pascal) kreirani specijalni programi sa veoma uskim područjem primjene. To je ograničavalo primjenu računara u CAD sistemima jer je zahtijevalo veliku količinu znanja o računarima, te o programiranju. Međutim, od početka devedesetih situacija se promijenila tako da na tržištu ima toliko gotovih aplikacija za najrazličitije namjene, pa rijetko kada postoji potreba za razvijanjem vlastitog software-a. Problem onda ostaje izabrati pravi gotovi software koji najbolje zadovoljava potrebe korisnika. Na osnovu izabranog sotware-a, bira se odgovarajući hardware.

Izrada tehničke dokumentacije je srodna pojmu DTP (DeskTop Publishing - stono izdavaštvo), koji podrazumijeva obradu teksta i slike pomoću računara i pripremu za štampu. Naprimjer, tekst unesen u računar pomoću jednog programa, crteži nacrtani pomoću drugog i skenirane fotografije se pomoću nekog od programa za DTP slažu u jedan dokument koji se zatim može odštampati kao jedinstvena publikacija. Najpoznatiji programi za DTP su Quark


192

Xpress, Adobe PageMaker i Corel Ventura. Prva dva programa su prvenstveno namijenjena za pripremu novina i časopisa za štampu, a Ventura je najprimjerenija za pripremu knjiga i sličnih štampanih materijala većeg obima.

PROGRAMI ZA OBRADU TEKSTA

Dio tehničke dokumentacije koja se u CAD procesu kreira može se izraditi pomoću programa za obradu teksta, takozvanih tekst procesora. To su i najčešći programi za računar, a toliko su rašireni da su praktično zamijenili pisaće mašine. Tekst procesor ima niz prednosti u odnosu na pisaću mašinu: pomoću njega može se kreirati dokument, pohraniti na disk, prikazati na ekranu, izmijeniti sadržaj dokumenta unošenjem naredbi sa tastature i konačno odštampati pomoću štampača, u proizvoljnom broju primjeraka. Najveća prednost je u tome što se mogu unositi izmjene u tekst bez ponovnog unošenja kompletnog teksta, kao što je slučaj kod pisaće mašine.

Pomoću ovih programa se mogu mijenjati neke osobine teksta, kao što su font, alignment, itd.

Font: Font je skup osobina skupa znakova od kojih se kreira tekst. Obuhvata osobine kao što su: izgled slova (postoje standardni nazivi za različite izglede slova, kao što su Times New Roman, Arial, Courrier,...), veličina, rastojanje među slovima i među riječima, te posebne efekte nad slovima, kao što su Bold (podebljana slova), Italic (zakošena slova), Underline (podvlačenje teksta), Superscript (podignuti tekst, stepeni), Subscript (spušteni tekst, indeksi), Strikethrough (precrtani tekst) i dr.

Times New Roman

ABC abc

Arial

ABC abc

Courrier

ABC abc

Superscript

ABC 10-3

Bold

ABC abc

Italic

ABC abc

Underline

ABC abc

Subscript

ABC O2

Slika 169. Različiti fontovi

Alignment: Položaj teksta u odnosu na margine (slika 170).

Left (lijevo) Right (desno)


193

Alignment je položaj teksta u odnosu na margine, odnosno granice teksta sa lijeve i desne strane.

Alignment je položaj teksta u odnosu na margine, odnosno

granice teksta sa lijeve i desne strane.

Center (centrirano)

Alignment je položaj teksta u odnosu na margine, odnosno

granice teksta sa lijeve i desne strane.

Justify (raspoređeno do krajeva)

Alignment je položaj teksta u odnosu na margine, odnosno granice teksta sa lijeve i desne strane.

Slika 170. Različiti položaji teksta (alignment)

Spell checker: Program (obično u sastavu programa za obradu teksta) koji služi za provjeravanje ispravnosti napisanih riječi. Upoređuje svaku riječ iz teksta sa poznatim riječima i kada naiđe na nepoznatu riječ (najčešće greške pri kucanju) ponudi neku od sličnih riječi.

Najpoznatiji programi za obradu teksta su MS Word, Corel WordPerfect, Lotus AmiPro, a svaki od ovih programa se može instalirati kao poseban program ili u sastavu paketa koji osim programa za obradu teksta sadrže još i program za tabelarne proračune, bazu podataka i sl. Takvi paketi se obično prodaju pod imenom Office, a najpoznatiji su Microsoft, Corel i Lotus.

PROGRAMI ZA TABELARNE PRORAČUNE

Spreadsheet je tabela koja sadrži vrijednosti raspoređene u redove i kolone. Svaka vrijednost može imati definirane veze sa drugim vrijednostima iz tabele. Ako se neka od vrijednosti promijeni, moraju se promijeniti i sve ostale vrijednosti koje od nje zavise.

Programi za tabelarne proračune (Spreadsheet applications) su računarski programi koji omogućuju kreiranje elektronskih tabela. U takvim programima, vrijednosti su smještene u polja tabele (Cells). Može se definirati tip podataka za svako polje posebno, te kakve su međuzavisnosti između pojedinih polja. Relacije između polja se nazivaju formule, a polja imaju svoje nazive, odnosno adrese (Labels). Rezultati formula se automatski ažuriraju kad god se promijeni neka vrijednost u tabeli od koje ta formula zavisi.

Nakon što se definiraju polja i formule koje ih povezuju, mogu se unositi podaci. Pojedine vrijednosti u poljima se mogu mijenjati, kako bi se vidjelo kako ta promjena utiče na ostale zavisne vrijednosti iz tabele. To omogućuje raznovrsne analize tipa "What-if".


194

Jednostavan primjer programa za tabelarni proračun je tabela specifikacije materijala sa cijenama. Nakon što se definišu polja i kako polja utiču jedno na drugo, mogu se unositi brojevi i posmatrati kako se mijenjaju rezultati. Naprimjer, ako se mijenja jedinična cijena jednog materijala ili procenat škarta, koliko to utiče na ukupnu cijenu svih materijala.

Slika 171. Primjer programa za tabelarne proračune

Na tržištu postoji veliki broj programa za tabelarne proračune, od kojih su najpoznatiji MS Excel i Lotus 1-2-3. Ovi programi imaju i mogućnost kreiranja grafikona za grafičko prikazivanje brojčanih podataka.

Kao i programi za obradu teksta, i ovi programi se mogu instalirati samostalno, ili u sastavu Office programskih paketa.

Slika 172. Primjeri grafikona


195

BAZE PODATAKA

Database (baza podataka) je skup informacija organiziranih na takav način da računarski program može brzo izabrati tačno određeni podskup iz tog skupa.

Tradicionalne baze podataka su organizirane pomoću polja (Fields), slogova (Records) i tabela (Tables). Polje je jedinična informacija, slog je jedan komplet polja a tabela je skup slogova. Naprimjer, telefonski imenik je tabela, koja sadrži slogove, a svaki slog sadrži tri polja: Ime, Adresa i Telefonski broj.

Tabela

Vijak M10 1300

Vijak M12 800

Navrtka M10 1100

Navrtka M12 900

Navrtka M8 150

Slog

Navrtka M8 150

Polja

Slika 173. Elementi baze podataka

Za korištenje baze podataka koristi se skup programa za unos, organiziranje i korištenje podataka koji se naziva Database System (DBS). Postoji veliki broj različitih DBS sistema, od malih sistema koji se koriste na PC računarima (MS Access, MS FoxPro, Paradox, Clipper, dBase) do ogromnih sistema za mainframe računare (Oracle, Informix).

Podaci iz baze podataka se obično koriste pomoću "upita" (Query), koji predstavlaju stilizirana pitanja. Naprimjer, upit:

SELECT ALL WHERE NAZIV = “Vijak” AND PROMJER > 10

iz baze podataka uzima samo one kod kojih se u polju NAZIV nalazi riječ Vijak i kod kojih se u polju PROMJER nalazi broj veći od 10. Skup pravila za kreiranje upita se naziva Query Language (jezik za upite). Različiti DBS sistemi koriste različite jezike za upite, ali danas preovladava SQL (Structured Query Language) kao nezvanični standard.


196

Baza podataka je osnova svakog informacionog sistema. U procesu CAD-a mogu se koristiti baze podataka o materijalima, standardnim dijelovima i mašinama, kako bi se što brže dobile prave informacije o raspoloživim resursima. CAD sistem bi morao biti integrisan u informacioni sistem preduzeća, kako bi korisnik CAD sistema uvijek imao na raspolaganju prave informacije o stanju na skladištu, stanju na tržištu i sl.

Da bi se ubrzao protok informacija, i da bi informacije bile dostupnije što većem broju korisnika, računari se povezuju u računarske mreže. Svaki mrežni operativni sistem u sebi ima mogućnost zaštite podataka od neovlaštenog pristupa, ako se radi o informacijama koje predstavljaju poslovnu tajnu ili informacijama čije korištenje treba platiti.

PC ili terminaliPC ili terminali

Baze podataka: Knjigovodstvo, Računovodstvo, Skladište, Prodaja, Nabava ...

Mreža

PC ili terminali

Server ilimainframe

CAD sistem

Slika 174. Informacioni sistem

Lokalna mreža u preduzeću (LAN - Local Area Network) se može povezati sa mrežama drugih preduzeća, kooperanata, dobavljača, kupaca, i na taj način se proširuje skup raspoloživih informacija. Tako povezane mreže se nazivaju WAN (Wide Area Network). Internet je globalna mreža, koja povezuje milione računara tako što su međusobno povezane WAN mreže.


197

PROGRAMI ZA ANALIZU KONSTRUKCIJA

Osim za izradu tehničke dokumentacije, CAD sistemi se najčešće koriste za analizu naprezanja i deformacija opterećenih konstrukcija. Ta se analiza može provesti numeričkim metodama, koje su za složene konstrukcije i oblike bile nezamislive bez računara.

Suština numeričke analize se svodi na to da se realna konstrukcija simplificira modelom koji se zatim diskretizira i pretvara u matematički model. Matematički model je najčešće sistem običnih ili diferencijalnih jednačina koji se zatim rješava pomoću računara. Rezultati se mogu prikazati tabelarno ili grafički (naprimjer računar može dati matricu koordinata pojedinih tačaka konstrukcije ili nacrtati izgled opterećene konstrukcije).

Najčešće numeričke metode za analizu konstrukcija su metod konačnih elemenata (Finite Element Method), metod konačnih volumena (Finite Volumes Method) i metod rubnih elemenata (Boundary Element Method). Za rješavanje problema tim metodama može se napraviti vlastiti software, pomoću nekog od programskih jezika, kao što su Fortran, C ili Basic, a postoji i veliki broj gotovih programa, sa različitim mogućnostima i načinima unosa i prikazivanja podataka.

Metod konačnih elemenata podrazumijeva određeni proces modeliranja noseće strukture. Taj proces sadrži niz aktivnosti koje se provode po sljedećem redoslijedu:

Realna konstrukcija

Simplificirani model konstrukcije

Diskretizirani model konstrukcije

Matematički model

Rješavanje sistema jednačina

Rezultati proračuna


198

Slika 175. Proces modeliranja konstrukcije za proračun MKE

Na osnovu realne konstrukcije (analize svih sklopova, komponenti, opterećenja, graničnih uslova), usvaja se simplificirani model. On pretpostavlja sva moguća geometrijska uproštenja konstrukcije sa definisanjem međusobnih veza i definisanjem vanjskog opterećenja, vodeći računa o karakteru i intenzitetu opterećenja. Na osnovu opterećenja i geometrije elementa bira se onaj element kojim će se najbolje aproksimirati struktura konstrukcije. Nakon diskretizacije (podjele modela na konačne elemente) izvrši se numerisanje svih čvorova i svih elemenata u modelu. U sljedećem koraku, na osnovu opšte teorije MKE, vrši se proračun parametara pojedinih konačnih elemenata, definišu se opterećenja i granični uslovi. Ovako, uz neophodne jednačine koje opisuju ponašanje materjala, formira se matematički model, koji je ugrađen u software i koji omogućuje dobijanje numeričkih rezultata proračuna. U slučaju rekonstrukcije modela, cijeli proces se ponavlja, polazeći od moguće numeracije modela i izmjene nekog od parametara.

Software za MKE obično zahtijeva da se diskretizacija modela, te numeracija čvorova i elemenata izvrše kao priprema ulaznih podataka, te da se ti podaci na određeni način unesu u računar, obično u obliku matrice brojeva. Rezultati se takođe prikazuju tabelarno. Noviji software ima mogućnost diskretizacije modela, tako da se znatno ubrzava proces pripreme podataka, koji se svodi na crtanje modela pomoću programa za tehničko crtanje, bez potrebe za crtanjem konačnih elemenata i njihove numeracije, jer to program sam obavlja. Takođe, može da nacrta i deformisani diskretizirani model, tako što za koordinate čvorova uzima rezultate proračuna.

65432

1,2,3,... - ČvoroviI,II,III,... - Konačni

elementi

Diskretizirani modelkonstrukcije

Simplificirani modelkonstrukcije

VIII

VII

VI

VIVIIIIII

1

121110987

1413

1615

1817

Slika 176. Diskretizacija konstrukcije


199

Slika 177. Različiti načini diskretizacije

Slika 178. Primjeri diskretizacije u tri dimenzije


200

Slika 179.Predviđanje nastajanja pukotine numeričkom analizom

Slika 180. Deformirani model sa raspodjelom naprezanja predstavljenim različitim nijansama boja


201

PROGRAMI ZA TEHNIČKO CRTANJE

CAD podrazumijeva izradu tehničkih crteža pomoću računara, bilo da se radi samo o izradi tehničke dokumentacije, ili o pripremi ulaznih podataka za numeričku analizu naprezanja i deformacija.

Pri izradi crteža se znatno razlikuju grafika u ravni, odnosno u dvije dimenzije (2D) i trodimenzionalna (3D) grafika. Kojim će se načinom doći do crteža, 2D ili 3D grafikom, zavisi od namjene crteža. Iz 3D crteža se lako mogu dobiti dvodimenzionalne projekcije i presjeci.

U nekim slučajevima, brže je izraditi crtež klasičnim putem, bez upotrebe računara, ali računarska grafika ima sljedeće prednosti:

* Crteži se mogu pohraniti na disk i kao takvi koristiti kao polazni materijal za izradu novih crteža.

* Lako se unose izmjene u crteže.

* Nacrtani elementi se mogu povećavati, smanjivati, rotirati, pomjerati po crtežu, duplicirati, brisati, itd.

* Mogu se automatski izračunati geometrijske karakteristike nacrtanih elemenata (težište, površina, obim, momenti inercije).

* Crteži mogu poslužiti kao podloga za numeričku analizu.

* Mogu se koristiti gotove biblioteke standardnih elemenata (vijci, navrtke, ležajevi, i sl.). Da bi se nacrtao takav element, treba samo izabrati oznaku, veličinu elementa i položaj na crtežu.

* Monotoni poslovi, kao što je šrafiranje crteža, se izvode daleko brže i jednostavnije. Za šrafiranje neke površine treba samo izabrati oblik šrafure i označiti površinu koja se šrafira.

Najpoznatiji program za tehničko crtanje je svakako AutoCad američke firme AutoDesk. To je program namijenjen prvenstveno za 2D grafiku, i može se koristiti u mašinstvu, građevinarstvu, geodeziji, arhitekturi i elektrotehnici. Postoje različite verzije ovog programa, koje se označavaju brojevima. Verzija 12 ima poseban dodatak (AME - Advanced Modelling Extension) za 3D grafiku, dok verzije 13 i 14 imaju integrirane 3D naredbe u samom programu. Postoje izvedbe AutoCad-a za MS DOS, MS Windows, Macintosh i UNIX operativne sisteme, ali se AutoCad najviše koristi na PC računarima sa MS DOS ili MS Windows operativnim sistemom. Za potrebe edukacije razvijena je jeftinija verzija AutoCad-a, AutoCad LT, koja se koristi na isti način kao i pravi AutoCad, samo što mu nedostaju neke od naprednih funkcija (3D grafika, komuniciranje sa bazama podataka i sl.).


202

2D GRAFIKA

Računar je digitalna mašina, i kao takva može da obrađuje i memoriše isključivo brojeve, odnosno podatke koji se mogu predstaviti brojevima. Za digitalizaciju teksta koriste se standardne tabele kodova, pri čemu se svaki znak ili slovo kodira odgovarajućim brojem. U upotrebi su danas dva standarda, ASCII (Amercan Standard Code for Information Interchange) i ANSI (American National Standards Institute).

Slika 181. Tabela kodova za znakove po standardu ANSI

ASCII je kod za predstavljanje znakova engleskog alfabeta brojevima, pri čemu svaki znak ima jedan broj od 0 do 127. Naprimjer, veliko slovo A ima ASCII kod 65. Skoro svi računari koriste ASCII kod, što omogućuje razmjenu podataka između različitih tipova računara.

Standardni ASCII set znakova koristi samo 7 bita (binarnih cifara) za svaki znak. Veći set znakova, poznat pod imenom prošireni ASCII (slika 165) koristi 8 bita, što daje još 128 dodatnih znakova, za matematičke simbole, neengleske znakove i grafičke simbole. ANSI je propisao standardni set znakova za kodove od 128 do 255, ali ga se ne pridržavaju svi proizvođači software-a.


203

Za dijakritičke znakove (Š, Đ, Č, Ć, Ž, š, đ, č, ć, ž), po ISO standardu koriste se znakovi iz ANSI seta, a nije rijedak slučaj da se koriste i ASCII znakovi ([, \, ^, ], @, {, |, ~, }, `), po JUS standardu.

Datoteke koje u sebi sadrže isključivo ASCII znakove od 0 do 127 (7-bitni znakovi) nazivaju se ASCII ili tekst datoteke. Sve ostale datoteke su binarne. Tekst datoteke ne mogu sadržati ništa osim teksta, odnosno ne mogu sadržati informacije o veličini, obliku slova, i sl. Datoteke koje sadrže slike su obavezno binarne (osim Post Script datoteka, koje su ASCII tipa).

Za rad sa grafikom, odnosno digitalizaciju crteža, nije moguće koristiti iste kodove kao za tekst, iako postoje ANSI znakovi od kojih se može formirati jednostavna slika, tzv. blok-grafika (ANSI simboli omogućuju kreiranje tabela uokvirenih jednom ili dvjema linijama). Da bi se crtež digitalizirao, mora se prikazati u obliku skupa brojeva. Postoje dvije vrste digitalnih crteža: bit-mapirane slike (Bitmap Pictures) i vektorski crteži (Vector Drawings).

Bit-mapirana ili raster slika crtež u memoriji prikazuje matricom brojeva, pri čemu svaki broj predstavlja određenu boju. Kod crno-bijele slike, matrica sadrži nule i jedinice, koje predstavljaju bijele i crne tačke na crtežu. Broj tačaka od kojih se crtež sastoji se naziva rezolucija slike. Što je rezolucija veća, slika je vjernija, odnosno bolje prikazuje original. Naravno da veća rezolucija i više boja zahtijevaju srazmjerno veću količinu memorije. Naprimjer, ako je crtež veličine 10x10 cm, sa rezolucijom od 100 tačaka po cm2, a svaka tačka može biti u jednoj od 256 različitih boja (za svaku boju treba po 8 bita; 28 = 256), to zahtijeva 10 x 10 x 100 x 8 = 80 000 bita, 10 000 bajta, odnosno 10 kB memorije. Za istu sliku veličine A4, odnosno 21 x 29,7 cm, potrebno je oko 500 kB memorije.

Slika 182. Bit-mapirana slika

Za kreiranje bit-mapiranih slika koriste se programi kao što je Paintbrush (sastavni dio MS Windows 3.1), Paint (u sastavu MS Windows 95 i NT), Adobe PhotoShop, Corel PhotoPaint, Fractal Design Painter, i sl. Najveći problem kod takvih slika je u tome što se prilikom povećanja slike gubi na vjernosti, jer se tačke pretvaraju u sve veće kvadrate, a krive ili kose linije postaju stepenaste


204

(slika 182). Zbog toga se navedeni programi koriste samo za dotjerivanje skeniranih fotografija, a nikada za izradu tehničkih crteža.

Bit-mapirane slike se na disk mogu snimiti u različitim formatima, koji se iznutra razlikuju po načinu transformacije slike u matricu brojeva, a izvana po ekstenziji (dijelu imena datoteke koji označava tip podataka u datoteci). Da bi se smanjila potrošnja memorije, matrice brojeva se u nekim formatima datoteka kompresuju određenim algoritmima (naprimjer, niz od dvadeset nula se zamijeni sa dva broja - 0 i 20). Koriste se sljedeći formati:

BMP Format koji se koristi u MS Windows operativnom sistemu. Nema kompresiju, pa su ovakve slike jako velike.

GIF Veoma čest format po BBS sistemima i Internetu.

PCX Format koji je razvila firma ZSoft za svoj program PC Paintbrush, jedno vrijeme korišten i u programu Corel Photopaint, a podržava ga veliki broj programa za obradu slike i za skeniranje.

TIFF Standardni format za skenirane slike. Koristi LZW algoritam za kompresiju.

JPEG Format sa najboljim algoritmom za kompresiju. Jako dobar za kolor slike koje se prenose putem Interneta.

PCD Kodak Photo CD - standardni format za fotografije snimljene kao katalog na CD ROM diskovima

Obično programi mogu otvoriti slike snimljene u različitim formatima, ili ih snimiti u različitim formatima. Skeniranjem se dobiju bit-mapirane slike.

Vektorska grafika koristi geometrijske formule za memorisanje slike. Vektorske slike su fleksibilnije od bit-mapiranih jer se mogu smanjivati i povećavati bez uticaja na kvalitet i preciznost slike. Vektorske slike izgledaju bolje na monitorima i štampačima sa većom rezolucijom, dok bit--mapirane slike izgledaju isto na uređajima različite rezolucije. Druga prednost je što vektorska slika zahtijeva manje memorije. CAD sistemi koriste isključivo vektorsku grafiku za kreiranje crteža.

Većina izlaznih uređaja (monitori i štampači) su rasterski uređaji, koji sliku formiraju od matrice tačaka određene rezolucije (ploteri nisu rasterski uređaji). To znači da svi objekti, pa i vektorski, moraju biti prevedeni u bit-mape da bi se dobio izlazni podatak (slika na monitoru ili crtež na papiru). Taj proces zahtijeva dosta matematičkih operacija, što opterećuje mikroprocesor, tako da brži mikroprocesori brže formiraju izlaznu sliku. Rasterizaciju slike za monitor može da preuzme poseban čip - koprocesor na grafičkom adapteru, što ubrzava prikazivanje slike na ekranu. Da bi se ubrzao rad, nekada se na ekranu ne prikazuje kompletna slika, nego samo njen pojednostavljeni oblik. Naprimjer,


205

elipsa se prikazuje mnogouglom, ili se sitni tekst prikazuje sivim linijama (Greek Text). Postupak rasterizacije slike za što vjerniji prikaz se naziva regeneracija slike, i vrlo je čest pojam u svim CAD aplikacijama.

Najpoznatiji programi za vektorsko crtanje su CorelDraw, Adobe Illustrator, Macromedia Freehand, Micrografx Designer za izradu ilustracija i grafički design, zatim programi za izradu 3D animacija: AutoDesk 3D Studio, Caligari TrueSpace, Softimage 3D, te CAD programi, od kojih su najpoznatiji AutoDesk AutoCad, I-Deas, Bentley Microstation, Intergraph Imagineer, itd.

Formati koji se koriste za pohranjivanje vektorskih slika su sljedeći:

CGM (Computer Graphics Metafile) Obično se koristi za razmjenu slika između različitih programa za izradu ilusracija, DTP i tekst procesora.

DXF (Data Exchange File) Format koji je razvio AutoDesk, a koji se koristi za razmjenu crteža među različitim CAD programima.

EPS (Encapsulated PostScript) Format koji koristi PostScript, programski jezik posebno razvijen za definiranje vektorskih sika.

GEM Format koji koriste GEM aplikacije (GEM je GUI sučelje koje je razvila firma Digital Research).

HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language) Jedan od najstarijih vektorskih formata.

IGES (Initial Graphics Exchange Specification) ANSI standard za trodimenzonalne žičane modele. Koristi se za razmjenu crteža među različitim CAD programima i operativnim sistemima.

PICT Standardni vektorski format za Apple Macintosh računare.

WMF (Windows Metafile Format) Format koji se koristi u MS Windows aplikacijama. Može pohraniri i vektorske i bit-mapirane slike.

DWG Format AutoDesk AutoCad crteža.

CDR Format CorelDraw ilustracija

3DS Format AutoDesk 3D Studio animacija

VRML (Virtual Reality Modeling Language) Format za prikazivanje 3D modela u komprimiranoj formi, prikladan za korištenje na Internetu.

Jedan vektorski crtež se sastoji od geometrijskih likova, kao što su tačka, linija, polilinija, luk, kružnica, elipsa, pravougaonik, itd, a da bi se ti likovi nacrtali, potrebno je zadati određene naredbe računaru. Danas se koriste tri načina zadavanja tih naredbi: putem komandne linije, pomoću menija i pomoću


206

alatki (tools). CAD programi obično daju mogućnost izbora sva tri načina zadavanja naredbi, a najčešće se oni međusobno kombinuju.

Slika 183. Tri načina zadavanja naredbi za crtanje

Da bi se nacrtali navedeni elementi, potrebno je unijeti koordinate karakterističnih tačaka. Koordinate se mogu unositi u komandnu liniju, ili birati direktno na ekranu pomoću miša. Da bi se povećala preciznost unošenja koordinata pomoću miša, koriste se pomoćne alatke, kao što su Grid, Snap i Ortho. Grid je mreža tačaka na ekranu, određene gustine, koje se prikazuju samo na ekranu kao pomoć pri crtanju, a ne pojavljuju se u štampanom crtežu. Snap je poseban način kretanja kursora po ekranu, tako da se on pomjera u malim koracima, tačno određene veličine (često iste veličine kao što je rastojanje između Grid tačaka). Naprimjer, ako se postavi da je veličina Snap koraka 5 mm, te ako se pokuša izabrati tačka na rastojanju od 12 mm, kursor se automatski pomjera na najbližu tačku koja odgovara datom koraku (u ovom slučaju tačka na 10 mm). Ortho ograničava crtanje linija na samo horizontalne ili samo vertikalne linije. Sva tri navedena pomoćna alata se ne koriste uvijek, nego se po potrebi uključuju i isključuju.

CAD crtež se obično crta u slojevima (Layers). Slojevi se ponašaju kao providne folije, koje se po potrebi dodaju ili uklanjaju sa ekrana. Obično se na


207

jednom sloju crtaju glavne linije, na drugom sloju kote, na trećem šrafura, na četvrtom tekst, na petom pomoćne linije ili simetrale, itd. Prednost upotrebe slojeva je u tome što se pojedine osobine,kao naprimjer debljina linije ili veličina slova, mogu jednom naredbom promijeniti za cijeli sloj, odnosno za sve elemente ncrtane na tom sloju, dok elementi na drugim slojevima ostaju nepromijenjeni. Svaki sloj se može posebno uključiti ili isključiti, ili se može blokirati (Lock), tako da je vidljiv, a elementi sa tog sloja se ne mogu mijenjati.

Na početku kreiranja novog CAD crteža treba izvršiti izvjesna podešavanja, kao što su izbor veličine papira, izbor mjerila, definiranje slojeva, definiranje vrsta i boja linija, i sl. Te pripremne radnje se mogu ubrzati tako što se one izvrše na praznom crtežu, koji se zatim snimi na disk kao crtež-prototip, odnosno predložak (Prototype), a poslije se koristi kao predložak za kreiranje novih crteža. Za te crteže u tom slučaju ne treba ponavljati sve radnje oko podešavanja. I tekst procesori imaju predloške, koji se nazivaju Template.

Slika 184. Karakteristične tačke za Object Snap

Koordinate karakterističnih tačaka nekad nije moguće precizno odrediti, jer se ne nalaze na Snap mreži. CAD programi imaju mogućnost prepoznavanja karakterističnih tačaka po nazivu: centar kružnice ili luka (Center), sredina linije (Midpoint), kranja tačka linije ili luka (Endpoint), tačka dodira linije i kružnice (Tangent), tačka presjeka dvije linije (Intersection), tačka u kojoj normala siječe liniju, luk ili kružnicu (Perpendicular), itd. Ta alatka se naziva Object Snap (slika 184).

Koordinate tačaka koje se unose u komandnu liniju mogu biti apsolutne (u odnosu na koordinatni sistem crteža) ili relativne (u odnosu na posljednju


208

nacrtanu tačku). Takođe, koordinate mogu biti Dekartove i polarne (za 2D grafiku), odnosno cilindrične ili sferne (za 3D grafiku).

Sljedeći primjer ilustruje kako se od skice prikazane na slici 185 dolazi do crteža sa slike 186, pomoću programa AutoCad.

Slika 185. Skica mašinskog dijela

Slika 186. Crtež nacrtan pomoću programa AutoCad

Prvo se nacrta kružnica pomoću naredbe CIRCLE, koristeći jedan od načina zadavanja koordinata. Kružnica se može nacrtati tako što se zadaju centar i tačka na kružnici, centar i radijus, centar i prečnik, dvije krajnje tačke prečnika, tri tačke na kružnici i radijus sa dvije tangente. Pri tome se koordinate tačaka mogu zadati direktno u komandnu liniju, ili izabrati mišem.


209

Slika 187. Crtanje kružnice (CIRCLE)

Nakon kružnice se naredbom RECTANG nacrta pravougaonik. Pravougaonici se crtaju tako što se odrede dvije tačke na dijagonali. Redoslijed izbora tačaka nije bitan. Pravougaonik se crta na proizvoljnom mjestu na crtežu, a naknadno će se premjestiti na pravo mjesto.

Slika 188. Crtanje pravougaonika (RECTANG)

Koristeći Object Snap, naredbom MOVE se pravougaonik premjesti tako da se srednja tačka lijeve stranice pravougaonika (Midpoint) poklopi sa centrom (Center) kružnice.


210

Slika 189. Pomjeranje pravougaonika naredbom MOVE

Slika 190. Uklanjanje nepotrebnih linija naredbom TRIM


211

Za brisanje dijelova linija koje nisu potrebne na crtežu koristi se naredba TRIM. Prvo se obilježe granične linije (Cutting Edges), a zatim se biraju one strane linija koje treba ukloniti sa crteža. U ovom slučaju je kružnica granična linija, a treba obrisati dio pravougaonika iz unutrašnjosti kružnice.

Oštri prelazi se kod konstrukcija u principu izbjegavaju, i često se izvode sa zaobljenjem. Da bi se spojile dvije linije ili prava linija sa kružnicom ili dvije kružnice lukom određenog radijusa, u klasičnom crtanju su se koristile posebne metode iz nacrtne geometrije. Da bi se ostvario prelaz sa radijusom u CAD programu, treba samo definisati veličinu radijusa, a zatim izabrati linije između kojih treba izvesti prelaz, vodeći računa o mjestu izbora linija ako se linije mogu spojiti sa više lukova istog radijusa.

AutoCad naredba FILLET služi za spajanje linija kružnim lukom, a naredba CHAMFER za srubljivanje ivica, odnosno spajanje linija pravom linijom. Prvo se zada naredba FILLET da bi se odredio radijus zaobljenja, a drugi puta se biraju tačke na linijama koje treba spojiti.

Slika 191. Spajanje linija kružnim lukom određenog radijusa (FILLET)

Naredbom OFFSET se crtaju koncentrični krugovi, tako što se izabere polazni krug, a zatim se biraju tačke koje određuju radijuse ostalih krugova. Svi nacrtani krugovi će imati zajednički centar (slika 192).


212

Slika 192. Crtanje koncentričnih krugova naredbom OFFSET

Slika 193. Korištenje gotovih simbola i blokova

Pojedini dijelovi crteža se mogu memorisati pod posebnim imenom naredbom BLOCK, a zatim ubaciti na proizvoljno mjesto u crtežu, neograničen broj puta naredbom INSERT. Na taj način se crtaju standardni elementi, kao što su vijci, navrtke i slično (slika 193).

Slika 194. Kopiranje navrtke naredbom ARRAY (Rectangular)


213

Naredba ARRAY se koristi za crtanje pravilno raspoređenih kopija dijela crteža. Kopije mogu biti raspoređene u obliku pravougle matrice (Rectangular Array) ili po obimu kruga (Polar Array). Na slici 194 prikazano je kako je navrtka kopirana u pravouglu matricu sa dva reda i dvije kolone, a na slici 195 kako je kuglica ležaja kopirana u 24 pravilno raspoređena položaja po obimu kruga određenog centrom (Center point).

Slika 195. Kopiranje kuglice naredbom ARRAY (Polar)

Kotiranje crteža se vrši na posebnom sloju crteža (Layer). Za kotiranje se koriste standardni, unaprijed definisani tipovi kotnih linija. Za kotiranje treba zadati naredbu DIM, izabrati tip kote: vertikalna, horizontalna, paralelna, radijus, prečnik,..., zatim odrediti krajnje tačke veličine koja se kotira (obično koristeći Object Snap), i položaj glavne kotne linije. Na slici 186 prikazan je iskotiran crtež, sa vertikalnom linearnom kotom "4.00" (VER), radijusom "3.00" (RAD) i oznakom centra kruga (CEN), koji se označava linijama koje se sijeku u centru pod pravim uglom.

Sve korištene naredbe su se mogle zadati unošenjem u komandnu linju ili izborom alatki sa ekrana. Traka ili prozor koji sadrže tipke sa alatkama se nazivaju Toolbar, odnosno Toolbox. Neke od naredbi su se mogle unijeti i pomoću menija.

Nacrtana slika se može snimiti na disk (naredba Save), približiti ili udaljiti naredbom ZOOM (kao što kamera može da približi ili udalji sliku, tako se i CAD crtež može proizvoljno smanjivati i povećavati na ekranu, bez promjene dimenzija crteža. Taj postupak se naziva zumiranje, a njime se samo mijenja stepen povećanja slike na ekranu (slika 196).


214

Slika 196. Zumiranje

U sljedećem primjeru su navedene sve naredbe koje su zadate u komandnu liniju (Za razliku od teksta koji je ispisao sam program prilikom zadavanja naredbi, ono što je uneseno putem tastature je ispisano debljim slovima, naprimjer LINE) da bi se dobio crtež prikazan na slici 197.

Slika 197. Primjer AutoCad 2D crteža


215

Primjer: Command: LINE From point: 0,0 To point: 0,2 To point: 4,2 To point: 4,1.8 To point: 7,1.8 To point: 7,1 To point: 20,1 To point: 20,3 To point:20.5,3 To point:20.5,0 To point: Command: LINE From point: 0.2,0 To point: 0.2,2 To point: Command:LINE From point: 3.8,0 To point: 3.8,2 To point: Command:LINE From point: 4,1.8 To point: 4,0 To point: Command:LINE From point: 7,0 To point: 7,1.8 To point: Command:LINE From point: 20,0 To point: 20,3 To point: Command:ARC Center/<Start point>: C Center: 15,0 Start point: 20.5,-3 Angle/Length of chord/<End point>: 20.5,3 Command: MIRROR Select objects: ALL 18 found


216

Select objects: First point of mirror line: 0,0 Second point: 20,0 Delete old objects? <N> Command: CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.0000, Dist2 = 0.0000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: D Enter first chamfer distance <0.0000>: 0.2 Enter second chamfer distance <0.2000>: Command:CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.2000, Dist2 = 0.2000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: Select second line: Command:CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.2000, Dist2 = 0.2000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: Select second line: Command: FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.0000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: R Enter fillet radius <0.0000>: 0.5 Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.5000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: Select second object: Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.5000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: R Enter fillet radius <0.5000>: 2 Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 2.0000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: Select second object: Command:

U primjeru su korištene naredbe LINE za crtanje pravih linija, ARC za crtanje kružnog luka, MIRROR za kopiranje donje polovine crteža (nacrtana je prvo gornja polovina), CHAMFER za srubljivanje ivica, FILLET za izradu radijusa zaobljenja.


217

3D MODELIRANJE

Osnovni problem kod trodimenzionalnih modela je taj što standardni izlazni uređaji (monitor i štampač) daju dvodimenzionalni prikaz, tako da je potrebno pronaći način da se trodimenzionalni model prikaže u dvije dimenzije. U nacrtnoj geometriji se koriste perspektivni i aksonometrijski prikaz, koji se u računarskoj grafici nekad nazivaju 2,5D grafika (između 2D i 3D grafike, odnosno ako je treća dimenzija samo prividno prikazana, kaže se da crtež ima 2,5 dimenzije).

Trodimenzionalni oblici se mogu predstaviti na tri načina:

* Wireframe - žičana mreža koja konture objekta prikazuje 3D linijama

* 3D Polygon Mesh - prostorna mreža sastavljena od površina

* Solid - ispunjeni objekti koji imaju masu

WireframePolygon MeshSolid

a

Slika 198. Presjek ravnine sa kockom prikazanom na tri načina


218

Box (Paralelopiped); Cube (Kocka)

Pyramid (Piramida)

Wedge (Klinasta trostrana prizma)

Mesh (3D zakrivljena površina predstavljena

mrežom)

Cone (Konus)

Cylinder (Cilindar)

Dish (Donja polovica omotača kugle)

Dome (Gornja polovica omotača kugle)

Sphere (Kugla)

Torus

Slika 199. Osnovni primitivi

Presjek kocke sa ravninom paralelnom jednoj od osnova kocke je kvadrat (kod solid objekta), četiri duži (kod površinske mreže) odnosno četiri tačke (kod žičane mreže), kao na slici 198. Kocka prikazana žičanom mrežom je


219

sastavljena od 12 duži, površinska mreža je sastavljena od 8 kvadratnih površina, a solid je jedan objekat - prostorna kocka.

Trodimenzionalni modeli se kreiraju tako što se na jednostavne 3D oblike (primitive) primjenjuju operacije unije, presjeka i razlike. Mogu se koristiti gotovi osnovni primitivi, a za kreiranje primitiva od dvodimenzionalnih profila koriste se operacije translacije i rotacije u prostoru.

Na slici 199 su prikazani osnovni primitivi.

Operacija translacije u prostoru (Extrude) se koristi da se od 2D profila dobije trodimenzionalni objekat, tako što se po određenoj putanji, koja ne mora biti pravolinijska, polazni profil pomjera u prostoru. Istovremeno sa tom operacijom se može i smanjivati veličina profila.

Slika 200. Postupak kreiranja prizme od kvadrata naredbom EXTRUDE

Ako je putanja pravolinijska, od kvadrata u ravnini se dobije prizma (slika 200), odnosno zarubljena piramida (slika 201) ako je ugao translacije (Tapper Angle) različit od nule.

Slika 201. Kreiranje zarubljene piramide od kvadrata naredbom EXTRUDE


220

Slika 202. Korištenje naredbe EXTRUDE sa krivolinijskom putanjom translacije

Za dobijanje rotacionih oblika koristi se rotacija u prostoru, koja može biti rotacija za određeni ugao, ili za puni krug (360). Prije rotacije potrebno je nacrtati dvodimenzionalni profil, i definisati osu rotacija, odnosno pravac u prostoru određen sa dvije tačke u prostoru oko kojeg se profil rotira i na taj način formira rotaciono prostorno tijelo (slika 203).

Trodimenzionalni modeli dobijeni translacijom ili rotacijom i primitivi mogu se kombinovati, kako bi se dobili složeni oblici. Za to se koriste osnovne skupovne operacije: unija, presjek i razlika.

Slika 203. Rotacija u prostoru naredbom REVOLVE sa uglom rotacije 240

Operacijom unije (INTERFERE) se od dva ili više objekata kreira jedan objekat od njihovih zajedničkih volumena. Na slici 205 je prikazan rezultat operacije unije nad objektima sa slike 204.


221

BA

Slika 204. Polazni oblici za kreiranje složenog oblika

A B

Slika 205. Operacija unije (INTERFERE)

A B

Slika 206. Operacija presjeka (INTERSECT)


222

Operacijom presjeka (INTERSECT) se od dva ili više objekata kreira jedan objekat od njihovog presjeka. Na slici 206 je prikazan rezultat operacije presjeka nad objektima sa slike 204.

A \ BB \ A

Slika 207. Operacija razlike (SUBTRACT)

Razlika kreira jedan objekat tako što od volumena jednog objekta oduzme volumen drugog objekta. Na slici 207 su prikazane razlike objekata sa slike 204. Kao što se na slici vidi, zavisno od redoslijeda izbora objekata dobije se različit rezultat.

U sljedećem primjeru je prikazano crtanje solid modela rotacionog mašinskog elementa, dobijenog tako što je nacrtan 2D profil koji je zatim rotiran u prostoru.

Da bi se došlo do solid modela, potrebno je:

* nacrtati profil polilinijom,

* rotirati poliliniju u prostoru,

* promijeniti tačku posmatranja modela i ukloniti nevidljive linije.

Polilinija je kontinuirani niz pravih linija i/ili lukova koji su međusobno spojeni u jedan objekat. Za crtanje segmenata polilinije u ovom primjeru korištene su apsolutne Dekartove koordinate, tako da je krajnja tačka jednog segmenta ujedno i početna tačka sljedećeg segmenta.

Command: PLINE From point: 0,0 Current line-width is 0.0000 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 0,2


223

Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 4,2 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 4,1.8 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 7,1.8 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 7,1 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 20,1 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 20,3 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 20.5,3 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: 20.5,0 Arc/Close/Halfwidth/Length/Undo/Width/<Endpoint of line>: CL Command:

Nakon zadavanja navedenih naredbi, dobije se crtež kao na slici 208.

Slika 208. Polilinija

Sljedeći korak je crtanje prelaze pomoću naredbi CHAMFER i FILLET.

Command: CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.0000, Dist2 = 0.0000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: D Enter first chamfer distance <0.0000>: 0.2 Enter second chamfer distance <0.2000>: Command:CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.2000, Dist2 = 0.2000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: Select second line: Command: CHAMFER (TRIM mode) Current chamfer Dist1 = 0.2000, Dist2 = 0.2000 Polyline/Distance/Angle/Trim/Method/<Select first line>: Select second line: Command: FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.0000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: R Enter fillet radius <0.0000>: 0.8 Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.8000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>:


224

Select second object: Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 0.8000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: R Enter fillet radius <0.8000>: 2 Command:FILLET (TRIM mode) Current fillet radius = 2.0000 Polyline/Radius/Trim/<Select first object>: Select second object: Command:

Slika 209. Polilinija nakon naredbi CHAMFER i FILLET

Za kreiranje 3D modela rotacijom, treba odabrati poliliniju koja se rotira (select) i osu rotacije (osa definisana tačkama sa koordinatama 0,0 i 20,0).

Command:REVOLVE Select objects: 1 found Select objects: Axis of revolution - Object/X/Y/<Start point of axis>: 0,0 <End point of axis>: 20,0 Angle of revolution <full circle>: Command:

Slika 210. Polilinija nakon rotacije naredbom REVOLVE

Da bi se dobio zaobljeni dio mašinskog elementa, polilinija se nije mogla izvesti sa lučnim segmentom, jer se luk uvijek crta u smjeru kazaljke na satu, pa


225

se zbog toga crta 3D primitiv kugla, čiji će se odsječak dodati na rotacioni model dobijen rotacijom.

Command:SPHERE Center of sphere <0,0,0>: 15,0,0 Diameter/<Radius> of sphere: 20.5,3 Command: SLICE Select objects: 1 found Select objects: Slicing plane by Object/Zaxis/View/XY/YZ/ZX/<3points>: YZ Point on YZ plane <0,0,0>: 20.5,0,0 Both sides/<Point on desired side of the plane>: 22,0,0 Command:

Naredbom SPHERE se dobije kugla, koju treba presjeći ravninom paralelnom ravni YZ, kako bi se dobio odsječak kugle. Tačka s koordinatama 15,0,0 je centar kugle, a radijus kugle je određen tačkom s koordinatama 20.5,0,0. Kako se naredbom SLICE mogu dobiti dva odsječka, treba izborom proizvoljne tačke sa jedne od strana odrediti koji se odsječak želi dobiti.

Slika 211. Konačni izgled 3D modela

Trodimenzionalni modeli se bolje razlikuju od dvodimenzionalnih ako se promijeni tačka posmatranja modela. Na slici 213 se ne vidi da se radi o 3D modelu, jer je prikazan u ravni XY, odnosno vertikalnoj ravni.

Command: VPOINT Rotate/<View point> <0.0000,0.0000,1.0000>: 1,-1,1 Regenerating drawing. Command: HIDE Regenerating drawing. Hiding lines 100% done. Command:


226

Slika 212. 3D model nakon promjene tačke posmatranja (VPOINT) i uklanjanja nevidljivih linija (HIDE)

Iz ovako dobijenog 3D modela mogu se dobiti svi mogući pogledi i presjeci promjenom tačke posmatranja.

Slika 213. VPOINT 0,0,1


227

Slika 214. VPOINT 1,0,0

Slika 215. VPOINT -1,0,0

Slika 216. VPOINT -3,3,1


228

Renderiranje je postavljanje boja, rasvjete i sjena na crtež. AutoCad naredba RENDER kreira realističnu sliku 3D modela, sa sjenama i bojama površina kao u prirodi.

Slika 217. Definiranje položaja osvjetljenja (Light)

Renderiranje se koristi za što vjerniju sliku modela, pri čemu se može definisati položaj rasvjete (slika 217), materijali od kojeg su pojedini elementi konstrukcije izrađeni (slika 218), te položaj kamere u prostoru koja bi dala sliku kao na ekranu. Renderiranjem se dobije bit-mapirana slika od vektorskog 3D crteža. Na slici 219 su prikazane dvije renderirane slike, sa različitim brojem boja. Osnovne karakteristike bit-mapirane slike su rezolucija (broj tačaka po jedinici površine) i broj boja, odnosno količina memorije koja se koristi za definiciju svake boje (4-bitna grafika daje 16 nijansi, 8-bitna daje 256 nijansi, 16 bitna daje 64 000 boja, a 24-bitna daje 16 000 000 različitih nijansi (takozvani "True-color" bitmap). Što je veći broj nijansi, slika je vjernija, ali zahtijeva srazmjerno jači hardware da bi se dobila takva slika.

Iako je renderiranje sastavni dio skoro svakog CAD programskog paketa, postoje namjenski programi za izradu animacija i realističnog prikaza objekata. Oni nisu od posebnog značaja za CAD proces, ali se koriste kako bi se dobila što bolja simulacija stvarnog izgleda objekta. To ima veću ulogu u marketingu


229

nego u procesu konstruiranja. Dobijene animacije se mogu prikazivati na videu, ili se odštampati na papir.

Slika 218. Izbor materijala

Slika 219. Renderirana slika prikazana u 16 i 256 nijansi boja


230

Postoje postupci izrade stvarnog prostornog modela direktno iz CAD crteža, kao što je stereolitografija. Tim postupkom se rezanjem pomoću lasera ili taloženjem lako obradivog materijala (naprimjer voska ili plastične mase) sloj po sloj dobije model stvarnog objekta.


231

Parametarsko modeliranje

Dizajniranje i crtanje mašinskog elementa predstavljaju osnovu za proizvodnju tog elementa. Tradicionalni CAD sistemi uspješno unapređuju proces crtanja, ali ne mogu zadovoljiti potrebu za istovremenim izvođenjem procesa dizajniranja i crtanja. To tjera inženjera da simultano razmišlja o svim konstruktivnim zahtjevima i inženjerskim vezama za svaki pristup konstruiranju. To usporava proces konstruiranja i taj nivo razvoja CAD sistema ne daje posebne efekte u povećanju produktivnosti procesa konstruiranja.

Razvoj novih CAD sistema se kreće u pravcu povećanja produktivnosti inženjera koji učestvuju u početnom stadiju procesa kreiranja ili modifikovanja konstrukcije nekog elementa, sklopa ili sistema. Dva pristupa koji su sve popularniji u postizanju fleksibilnijeg procesa konstruiranja su parametarsko modeliranje i varijaciono modeliranje.

U parametarskom modeliranju, inženjer bira skup geometrijskih ograničenja koja se mogu upotrijebiti za kreiranje geometrije elementa. Geometrijski elementi obuhvataju linije, lukove, krugove i krivulje (splines). Za definisanje dimenzija mašinskog elementa se može koristiti i sistem jednačina. Ovaj jednostavni koncept parametarskog sistema se može objasniti pomoću sljedećeg primjera.

P4 P3

P1 P2

L2

L3

L1

L4

P4 P3

P1 P2

P5

Slika 220. Parametarsko modeliranje bloka [1]

Na slici 220 je prikazan blok iz kojeg je uklonjen jedan ugao. Crtež se može nacrtati definiranjem geometrije koja formira blok kako slijedi:


232

1. Definisati P1 (polazna tačka)

2. Definisati L1 (horizontalna linija od polazne tačke)

3. Definisati P2 (poznata dužina linije mjerena od P1)

4. Definisati L2 (vertikalna linija pod uglom od 90 od tačke P2)


6. Definisati L3 (horizontalna linija pod uglom od -90 od tačke P3)


8. Definisati L4 (vertikalna linija pod uglom od -90 od tačke P3)

9. Definisati P5 (tačka na udaljenosti od tačke P1 pod uglom od 45)

10. Nacrtati luk (poznatog radijusa, polazne i krajnje tačke)

Tako se na bazi datog skupa geometrijskih veličina mogu definirati osnovne dimenzije bloka. Skup geometrijskih veličina će se posmatrati kao skup instrukcija koje, kad se izvrše, kreiraju željenu geometriju.

Klasičnim načinom crtanja u AutoCad-u blok sa slike 220 se dobije:

Command: LINE From point: 1,1 <koordinate P1> To point: @2,0 <dužina L1> To point: @2<90 <dužina L2> To point: @2<90 <dužina L3> To point: @2<90 <dužina L4> To point: Command: ARC Center/<Start point>: 1,1.3 <koordinate polazne tačke> Center/End/<Second point>: E End point: 1.3,1 <krajnja tačka> Angle/Direction/Radius/<Center point>: R Radius: 0.3 <radijus> Command:

Razlika između parametarskog modeliranja i prikazanog klasičnog načina crtanja je u tome što se dužine ne zadaju brojevima, nego varijablama. Varijable uzimaju vrijednosti iz nekog određenog skupa (naprimjer iz tabele), a crtež se automatski modifikuje kako se izmijene vrijednosti varijabli.

Da bi AutoCad imao mogućnosti parametarskog modeliranja, treba se poslužiti mogućnostima nekih drugih programa. Naprijer, postupak poznat pod imenom DDE (Dynamic Data Exchange) omogućuje da se uspostavi takva veza


233

između dva različita programa da se podaci između tih programa razmjenjuju simultano.

Primjer upotrebe DDE za parametarsko modeliranje je veza između programa AutoCad i Microsoft Excel. Podaci o varijablama koje definišu geometriju u AutoCad-u se unose u obliku Excel spreadsheet tabele. Svaka izmjena određene vrijednosti u tabeli se reflektuje izmjenom crteža u AutoCad-u, a to opet povratnom vezom mijenja neki drugi podatak u tabeli.

Uz AutoCad se isporučuju Excel datoteka "SHAFT.XLS" i program "SHAFT.EXE" sa primjerom parametarskog modeliranja višestepenog vratila uz pomoć DDE tehnike.

Slika 221. "SHAFT.XLS" tabela u Excel-u

Postupak korištenja ovog programa je sljedeći:

Potrebno je pokenuti istovremeno i Excel i AutoCad. U Excel treba učitati datoteku "\ACAD13\WIN\SAMPLE\SHAFT.XLS".

U AutoCad-u treba naredbom "Applications" iz menija "Tools" učitati program "\ACAD13\WIN\SAMPLE\SHAFT.EXE". Time se standardni set naredbi u AutoCad-u proširuje naredbama:

IMPORT_SHAFT Učitava model vratila iz Excel tabele

EXPORT_SHAFT Šalje podatke o nacrtanom vratilu iz AutoCad-a u Excel


234

UPDATE_SHAFT Mijenja dimenzije modela u AutoCad-u prema podacima iz tabele

V3D Prikazuje model u 3 dimenzije bez kota

VDIAM Prikazuje pogled sa boka sa kotiranim radijusima

VLENGTH Prikazuje pogled sa prednje strane sa kotiranim dužinama

SHAFTDIALOG Pokreće dijalog za podešavanje parametara DDE veze

Slika 222. Izgled vratila u AutoCad-u nakon zadavanja naredbe V3D

Ovako uvezan sistem MS Excel - DDE - AutoCad predstavlja sistem za parametarsko modeliranje koji omogućuje konstruiranje vratila na osnovu njegovih mehaničkih osobina. Podaci o geometriji vratila se unose u tabelu kao na slici 221, a naredbom IMPORT_SHAFT se crta trodimenzionalni model vratila u AutoCad-u (slika 222).

Ako se neki podatak iz tabele promijeni, promjene se reflektuju na AutoCad model naredbom UPDATE_SHAFT. Takođe, svaka promjena geometrije u AutoCad-u, naprimjer naredbom STRETCH za promjenu dužine pravolinijskog segmenta, može se prenijeti u odgovarajuće brojčane podatke u Excel tabeli naredbom EXPORT_SHAFT. Excel zatim proračunava mehaničke osobine vratila na osnovu formula unesenih u tabelu, što se automatski reflektuje na dimenzije AutoCad modela.


235

Za kreiranje nekog drugog primjera parametarskog modeliranja u AutoCad-u je potrebno poznavati pravila programiranja u programskim jezicima C i AutoLisp.

AutoDesk nudi posebno razvijenu aplikaciju - "Mechanical Desktop", koja se u osnovi naslanja na AutoCad (za njenu instalaciju je potrebno imati već instaliranu određenu verziju AutoCad-a), koja omogućuje parametarsko modeliranje i lakše dizajniranje i crtanje prilagođeno potrebama mašinskih inženjera.

Sastavni dio Mechanical Desktop-a je "Autodesk Designer" za solid modeliranje, te "AutoSurf" za površinsko modeliranje.

Programi za parametarsko modeliranje daju neke dodatne mogućnosti koje nemaju klasični CAD programi kao što je AutoCad. To su naprimjer relacije između pojedinih entiteta od kojih se sastoji model (naprimjer, može se uspostaviti relacija paralelnosti između dvije linije, tako da nakon izmjene jedne linije automatski dolazi do izmjene i druge linije da bi se zadržalo svojstvo paralelnosti). zatim, parametarsko kotiranje omogućuje da se veličine mijenjaju direktno unošenjem brojeva na kotnu liniju (slika 223).

Slika 223. Parametarsko kotiranje koje omogućuje Mechanical Desktop omogućuje da se izmjenom broja na koti automatski mijenja kotirana dimenzija


236

Slika 224. Elementi nacrtani pomoću primitiva u Mechanical Desktop-u imaju nazive i među njima se mogu uspostaviti relacije


237

Literatura

1. Amirouche M.L.F.:............. Comuter-Aided Design and Manufacturing, Prentice Hall, Chicago, 1993.

2. Gupton J.A.: ....................... Computer-Controlled Industrial Machines, Processes and Robots, Prentice-Hall, Chicago, 1986.

3. Jakupović A., Milović R.: .. AutoCAD, Tehnička knjiga Beograd, 1988.

4. Mijović B.: ......................... Osnove konstruiranja, proračun strojnih konstrukcija, konstruiranje pomoću računala (CAD), Mašinski fakultet u Zenici, 1996.

5. Mijović B.: ......................... CAD/CAM, predavanja sa postdiplomskog studija, Mašinski fakultet u Zenici, 1996.

6. Prevarek A.:........................ AutoCad 13 - od ideje do projekta, Znak, Zagreb, 1996.

7. Prevarek A.:........................ AutoCad 13 - 3D dizajn i prezentacije, Znak, Zagreb, 1996.

8. Rembold U., Nnaji B.O.:.... Computer Integrated Manufacturing and Engineering, Addison-Wesley, London, 1993.

9. Repčić, N.:.......................... Konstruiranje pomoću računara, Univerzitet u Sarajevu, 1996.

10. Stoiljković V.: .................. Projektovanje podržano računarom, Mašinski fakultet Niš, 1995.

11. Katalozi: SDRC, AutoDesk, Algor, SolidWorks, Marc

12. AutoCad Release 13, AutoDesk Inc., USA, 1993.

13. Beasy, Computational Mechanics Inc., USA, 1994.

14. MS Word Version 6.0, Microsoft Corporation, USA, 1993.

15. MS Excel Version 5.0, Microsoft Corporation, USA, 1993.

16. PC Webopaedia Lite 1.6, Sandy Bay Software Inc., USA, 1996.

ISBN 9958-617-03-X

osnovi_konstruiranja

Documents