SPIS TRE ŚCI

Podstawy Konstrukcji Maszyn - projektowanie
SPIS TREŚCI
WPROWADZENIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.0. Teoria projektowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Projektowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Zasady konstruowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1. Zasada optymalnego stanu obciążenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2. Zasada optymalnego tworzywa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3. Zasada optymalnej stateczności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4. Zasada optymalnych stosunków wielkości związanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.0. Materiały konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1. Stale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1. Konstrukcyjne węglowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2. Stale stopowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Staliwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3. Żeliwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1. Żeliwa węglowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2. Żeliwa stopowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Stopy miedzi
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1. Miedź techniczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2. Miedź stopowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.3. Mosiądze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.4. Miedzionikle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.5. Brązy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5. Stopy aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1. Aluminium technicznie czyste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.2. Odlewnicze stopy aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.3. Do przeróbki plastycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6. Stopy magnezu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.1. Stopy odlewnicze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.2. Do przeróbki plastycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7. Stopy łożyskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7.1. Cynowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7.2. Cynkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8. Tworzywa polimerowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9. Spieki ceramiczno-metalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.9.1. Cermetale Cr-Al2O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.9.2. Cermetale SAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10. Drewno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.1. Forniry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.2. Sklejka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.3. Płyty pilśniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.4. Lignofol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.5. Drewno prasowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.0. Podstawowy warunek wytrzymałościowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Charakter obciążenia konstrukcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Metoda naprężeń dopuszczalnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1. Naprężenia dopuszczalne dla obciążeń statycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2. Naprężenia dopuszczalne dla obciążeń zmęczeniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
−3−
3.2.3. Zadania konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.4. Przekroje jednoparametryczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Metoda stanów granicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1. Podstawowy warunek wytrzymałościowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2. Właściwości wytrzymałościowe materiałów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4. Stateczność konstrukcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.0. Metrologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1. Układ pasowań wymiarów liniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.1. Międzynarodowy układ tolerancji i pasowań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.2. Łańcuchy wymiarowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2. Dokładność kształtu i położenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3. Chropowatość powierzchni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.0. Połączenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1. Połączenia gwintowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1. Pasowania gwintów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.2. Moment tarcia w gwincie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.3. Sprawność przekładni gwintowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.4. Minimalna długość nakrętki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.5. Obliczenia wytrzymałościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2. Połączenia kształtowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.1. Połączenia wpustowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.2. Połączenia wypustowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.3. Połączenia kołkowe poprzeczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.4. Połączenia kołkowe podłużne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.5. Połączenia sworzniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3. Połączenia wciskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1. Połączenia walcowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2. Połączenia stożkowe bezpośrednie
5.4. Połączenia spawane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.1. Konstrukcja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.2. Obliczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.5. Połączenia zgrzewane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6. Połączenia nitowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6.1. Połączenia zwykłe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
5.6.2. Zbiorniki ciśnieniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.0. Sprężyny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1. Rodzaje sprężyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2. Materiały . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3. Sposoby wykonania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4. Sztywność sprężyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5. Sztywność zespołów sprężyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6. Obliczenia sprężyn śrubowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.0. Wały i osie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.1. Definicje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2. Materiały . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.3. Obliczenia wytrzymałościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.3.1. Kryterium wytrzymałości dopuszczalnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.3.2. Kryterium dopuszczalnej strzałki i kąta ugięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.3.3. Kryterium dopuszczalnego kąta skręcenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
7.3.4. Obliczenia zmęczeniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
−4−
8.0. Łożyskowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8. 1. Łożyska toczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.1.1. Definicje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.1.2. Układy łożyskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.1.3. Smarowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.4. Uszczelnienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.1.5. Pasowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
9.0. Sprzęgła i hamulce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1. Sprzęgła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1.1. Podział i cechy konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1.2. Dobór sprzęgieł . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1.3. Obliczanie sprzęgieł ciernych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.2. Hamulce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.2.1. Hamulce klockowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.2.2. Hamulce bębnowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.2.3. Hamulce taśmowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.0. Przekładnie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.1. Podział i cechy konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.2. Przekładnie zębate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.2.1. Zależności geometryczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
10.2.2. Obliczenia wytrzymałościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.3. Przekładnie pasowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.3.1. Przekładnie z pasami klinowymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
10.3.2. Przekładnie z pasami zębatymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.4. Przekładnie łańcuchowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
10.4.1. Obliczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.4.2. Obliczenia sprawdzające . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
11.0. Zadania konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
11.1. Wytyczne wykonania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
11.1.1. Forma wykonania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
11.1.1. Dokumentacja rysunkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.2. Hydrauliczny napinacz śrub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.3. Podnośnik śrubowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
11.4. Żurawik naścienny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.5. Elektromechaniczny zespół napędowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
SPIS HEURYSTYK I ALGORYTMÓW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
−5−
Wprowadzenie
Przeznaczeniem przedstawianego skryptu jest, w zamyśle autora, służenie pomocą
studentom przy wykonywaniu prac projektowych z przedmiotu Podstawy Konstrukcji Maszyn (PKM) będącego w programie studiów dziennych I i II stopnia i studiów zaocznych
Wydziału Mechanicznego Politechniki Szczecińskiej.
Od studenta przystępującego do zajęć projektowych, wymaga się opanowania stosunkowo dużego zasobu wiedzy, gdyż przedmiot ten ma charakter interdyscyplinarny i obejmuje
elementy następujących ogólnych przedmiotów technicznych: Teorii Projektowania, Mechaniki Technicznej, Wytrzymałości Materiałów, Inżynierii Materiałowej, Teorii Maszyn i Mechanizmów, Metrologii, Rysunku Technicznego (Komputerowego Zapisu Konstrukcji). Do
podstaw których należy z kolei zaliczyć: Matematykę, Fizykę i Chemię. Służy za podstawę
wykonywania prac przejściowych i dyplomowych z zakresu: budowy obrabiarek, dźwignic,
energetycznych maszyn cieplnych, konstrukcji pojazdów samochodowych, maszyn i mechanizmów okrętowych, robotów przemysłowych, itp. W związku z tym prowadzony jest także
(pod różnymi nazwami) na Wydziale Techniki Morskiej i Wydziale Elektrycznym.
Skrypt stanowić ma uzupełnienie podręczników i praktycznie nadaje się do wykorzystania dopiero po wykładach z tego przedmiotu. Świadomie pominięto w nim niektóre tematy
sporadycznie wykładane na Wydziale Mechanicznym w ramach PKM np. hydraulikę siłową,
pneumatykę, rurociągi i ich armaturę, łożyskowanie ślizgowe, itp. Natomiast dodano rozdziały zawierające niezbędne informacje z dziedziny: materiałów konstrukcyjnych, wytrzymałości
materiałów i metrologii.
Składa się z dwóch części: teoretycznej (rozdziały 1 ÷ 10) – zawierającej podstawowe
informacje i wzory do obliczeń wraz z niezbędnymi objaśnieniami oraz algorytmy pozwalające wykorzystywać te wzory do wykonywania prac projektowych i części projektowej (rozdział 11) – zawierającej opis najczęściej wykonywanych przez studentów w Zakładzie Podstaw Konstrukcji Maszyn, zadań konstrukcyjnych.
Niezbędnym uzupełnieniem przedstawionego skryptu, przy wykonywaniu ćwiczeń
projektowych są zbiory: Polskich Norm, przepisów Urzędu Dozoru Technicznego i Polskiego
Rejestru Statków oraz katalogi producentów gotowych zespołów, podzespołów i elementów
maszyn.
−6−