JAK UCZYĆ W TECHNIKUM "PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN" ?

Opracował: mgr Bronisław Malik - Głubczyce

Podstawowym celem zajęć edukacyjnych z "Podstaw konstrukcji maszyn" jest kształtowanie umiejętności konstruowania elementów maszyn i prostych mechanizmów oraz obliczanie ich wytrzymałości.

Chcąc osiągnąć ten cel, uczeń oprócz wiedzy teoretycznej powinien znać podstawy obliczeń wytrzymałościowych oraz zasady projektowania. Powinien zatem poznać obliczenia rachunkowe, ich metodykę i tok obliczeń oraz proces konstruowania elementów maszyn i mechanizmów.

Zatem ćwiczenia i zadania do samodzielnego wykonania przez ucznia są niezbędnym warunkiem opanowania umiejętności konstruowania części maszyn.

Poniżej przedstawiono jakie ćwiczenia i zadania są nieodzowne, aby dobrze nauczyć tego przedmiotu.

Poszczególne zadania w każdym rozdziale tematycznym powinny być ściśle ze sobą powiązane. To znaczy, jeżeli w jednym zadaniu pewien parametr (siła, średnica elementu) jest wielkością szukaną, to w drugim powinien występować jako parametr dany (założony). To uzmysławia jakie jest zastosowanie takich zadań oraz pozwala sprawdzić poprawność wykonania zadania, czytając dokładnie następne.

Przykładem niech będą dwa zadania z działu tematycznego „Połączenia wpustowe”:

Zadanie 1. Na wale wykonanym ze stali 45 osadzono koło zębate z żeliwa Zl 300 za pomocą połączenia spoczynkowego (rys.1). Obliczyć minimalną czynną długość wpustu, wykonanego ze stali St5, oraz dobrać odpowiedni wpust odmiany A, wiedząc, że połączenie to przenosi stały moment obrotowy równy 650 Nm, a średnica wału d = 55 mm. Założyć lekkie warunki pracy.

Zadanie 2. Obliczyć stały maksymalny moment obrotowy, jaki może przenieść spoczynkowe połączenie wpustowe stalowego wału o średnicy d = 55 mm z żeliwnym kołem zębatym, wiedząc, że długość wpustu odmiany A l = 50 mm. Warunki pracy lekkie. Materiał wałka - stali 45, koła zębatego - Zl 300, wpustu - St5.

Z zad. 1 wynika, że w zad. 2 obliczony moment obrotowy powinien wynosić 650 Nm.

Aby takie typowe zadania można było rozwiązywać, należy uczniowi przedstawić rysunek połączenia ze stanem obciążeń i wymiary geometryczne oraz warunki wytrzymałościowe, wzory i zależności do obliczeń - przedstawione w odpowiedniej kolejności a także dokonać ćwiczenie, które powinno ilustrować jak je stosować.

W tym przypadku ta treść będzie następująca:

Obliczanie połączenia wpustowego może mieć na celu sprawdzenie dobranego połączenia lub określenie wymiarów wpustu w oparciu o warunek wytrzymałościowy na nacisk powierzchniowy.

b - szerokość wpustu,

g - grubość piasty w miejscu osadzenia wpustu,

h - wysokość wpustu,

d - średnica wału (czopa),

t₁ -głębokość rowka,

M -moment obrotowy,

F - siła obwodowa,

Rys. 1 Połączenie wpustowe

1. Warunek wytrzymałościowy na nacisk powierzchniowy

l₀ - czynna długość wpustu,

z - liczba wpustów, przy czym gdy l₀ ≥1,5⋅d to można przyjąć z=2, gdy względy konstrukcyjne tego wymagają,

z₁ - współczynnik zależny od warunków pracy, wg tablicy 6,

k_c - wg tablic lub PN, dla materiału słabszego i zawsze dla obciążeń stałych (statycznych),

2. Siła obwodowa

3. Odmiany, wymiary b x h wpustu pryzmatycznego i jego długość normalna oraz głębokość rowka t₁ - według tablic lub PN

Uwaga: Długości całkowite poszczególnych odmian wpustów są następujące:

odm. A - I = l₀ + b,

odm. B - l = l_{0 ,}

odm. AB - l = l₀ + 0,5b.

4. Dopuszczalne naciski powierzchniowe

M - w Nm,

c - współczynnik, przyjmowany dla piasty:

5. Grubość piasty w miejscu osadzenia wpustu

Uwaga: Przy podawaniu wzorów i zależności należy wyjaśniać poszczególne ich składniki - najlepiej w sposób uporządkowany na prawym marginesie.

---------------------------------------------

Ćwiczenie 1. Połączenie wpustowe ma przenieść moment obrotowy M = 500 Nm. Średnica wału ze stali 35 wynosi 45 mm. Przyjmując połączenie spoczynkowe i warunki pracy średnie oraz materiał oprawy stal St7 i wpustu pryzmatycznego St6, dobrać wymiary połączenia.

R o z w i ą z a n i e . Dane odczytane z tablic: dla materiału wału k_c =155 MPa, oprawy k_c = 175 MPa i wpustu k_c = 160 MPa (do obliczeń przyjmuje się wartość materiału najsłabszego, tzn. wału), z₁ = 0,6 i dla średnicy d = 45 mm wymiary wpustu b x h = 14 x 9 i t₁ = 5,5 mm.

Długość czynną wpustu oblicza się ze wzoru otrzymanego po przekształceniu warunku wytrzymałościowego na naciski powierzchniowe (pkt 1), do którego podstawiono zależność do obliczania siły obwodowej (pkt 2):

mm;

Przyjmując wpust odmiany A, długość całkowita wpustu wyniesie:

l = l₀ +b = 43,4 + 14 58 mm; natomiast długość normalna l_PN = 63 mm.

Uwaga: Treść ćwiczenia powinna nawiązywać dość szczegółowo do jednego z zadań wykonywanych samodzielnie przez ucznia.

------------------------------------------------

Ćwiczenia i zadania o podobnych treściach do innych działów tematycznych też w taki sposób powinny być opracowywane. Jednak literatura w postaci podręczników i znanych zbiorów zadań nie wyczerpuje do końca te zagadnienia.

Autor tego artykułu idąc na przeciw tym problemom opracował Zbiór zadań z "Podstaw konstrukcji maszyn", który ułatwia realizację materiału nauczania tego przedmiotu.

Dodatkowym walorem tego zbioru zadań jest dołączona płyta CD z aplikacjami komputerowymi z wykorzystaniem programu Excel, który umożliwia szybkie obliczanie typowych zadań. Wystarczy wprowadzić dane założeniowe i dane z tablic a program sam oblicza wymiary części maszyn.

Załącznik 1 przedstawia wydruk obliczeń połączenia wpustowego przy pomocy programu komputerowego.

Następnym zagadnieniem w tym przedmiocie jest konstruowanie prostych mechanizmów, nazywanych przez uczniów projektami. Zgodnie z planem wynikowym przewiduje się minimum trzy zadania projektowe, takie np. jak „Spawany węzeł kratownicy”, „Dźwignik śrubowy” i „Przekładnia zębata”.

Jeżeli przewidujemy tylko te trzy, to pierwszy projekt powinien być dokładnie omówiony a następne tylko w sposób ogólny. Te trzy prace projektowe wykonuje uczeń samodzielnie mając własne dane wyjściowe do projektowania.

Autor tego opracowania wykonał aplikacje komputerowe w oparciu również o arkusz kalkulacyjny programu Excel, które ułatwiają uczniowi wykonywanie tych projektów.

Każdy z tych projektów w różnym stopniu jest powiązany z programem komputerowym, a tym samym wkład ucznia w realizacji projektów nie jest jednakowy.

Projekt spawanego węzła kratownicy jest w postaci wzorcowego projektu, łącznie z rysunkami. Uczeń wykonuje swój projekt bez pomocy komputera w oparciu o ten wzorcowy. To uzmysławia uczniowi, jaki wysiłek należy włożyć aby taką pracę wykonać.

Projekt dźwignika jest już oparty o aplikacje, które liczą poszczególne wielkości po wprowadzeniu danych wejściowych. W tym przypadku uczeń decyduje o wymiarach elementów i szczegółach konstrukcyjnych dźwignika.

Natomiast projekty przekładni zębatej oparty jest o oddzielne pomocnicze aplikacje do obliczania poszczególnych części maszyn takich jak wały, łożyska, połączenia itp. Projekt w tym przypadku jest w postaci karty, w której jest przedstawiony tok projektowania i do której wstawiane są dane zbiorcze z programów pomocniczych obsługiwanych przez ucznia. Tu także uczeń ma wpływ na konstrukcję przekładni.

Do wszystkich projektów uczeń wykonuje rysunki samodzielnie.

Płyta CD dołączona do wyżej wspomnianego zbioru zadań zawiera również zadania projektowe w postaci programów komputerowych..

Fragment wydruku projektowania dźwignika śrubowego z wykorzystaniem programu Excel przedstawia Załącznik nr 2.1 i nr 2.2

Ważnym zagadnieniem jest przygotowanie dla każdego ucznia takich danych wejściowych do projektowania, aby praca była w dużym stopniu samodzielna.

Załącznik nr 3 jest przykładem zróżnicowania danych projektowych dźwignika śrubowego dla całej klasy.

Na zakończenie należy wspomnieć o tablicach i Polskich Normach, z których uczeń musi korzystać przy rozwiązywaniu zadań. Prezentowany tu zbiór zadań zawiera także atlas tablic, ułatwiający rozwiązywanie zadań.

Zainteresowani tym zbiorem zadań mogą skontaktować się autorem: bronekmal@o2.pl

Artykuł zamieszczono za zgodą autora - osiągalny również na stronie www.edukator.republika.pl

3