1

1

11.. PPRRIINNCCIIPPIIII GGEENNEERRAALLEE DDEE PPRROOIIEECCTTAARREE AALLEE OORRGGAANNEELLOORR DDEE MMAASSIINNII 1.1. Obiectul cursului de „Organe de ma�ini” Definirea unor notiuni:

• Masina: mecanism, (complex de mecanisme) � transformarea unei forme de energie in alta, in scopul efectuarii de activitati utile omului (de forta, motoare, de lucru, de transport, frigorifice, de incercare, de uz casnic, agricole etc).

• Masina de forta: transforma energia mecanica in alte forme de energie (electrica, hidraulica, pneumatica etc) pentru a fi mai usor distribuita la mai multi consumatori (turbogeneratoare, pompe, compresoare etc).

• Masina motoare: transforma o forma de energie furnizata de o sursa (motoare electrice, termice, hidraulice etc) in lucru mecanic necesar pentru actionarea altor masini (de lucru, de transport etc).

• Masina de lucru: actionata de o masina motoare si efectueaza activitati necesare omului (masini unelte, prese mecanice, masini pentru prelucarea lemnului, transportoare, concasoare, foreze, masini miniere etc).

Pentru fabricarea acestor masini � industria conctructoare de masini (CM). Tendinte noi in dezvoltarea CM : ∗∗∗∗ construc�ia unor ma�ini cât mai bine adaptate scopului (specializate) ∗∗∗∗ efectuarea unor calcule pe modele cât mai apropiate de cele reale ∗∗∗∗ m�rirea vitezelor, presiunilor, a puterilor instalate ∗∗∗∗ utilizarea de materiale cu proprietati mecanice superioare ∗∗∗∗ marirea num�rului de repere componente (masini mai complexe) ∗∗∗∗ cresterea preciziei dimensionale, a productivit��ii, a randamentului, a fiabilit��ii ∗∗∗∗ micsorarea jocurilor dintre elementele in miscare ∗∗∗∗ diminuarea dimensiunilor �i greut��ilor, a costurilor de fabrica�ie �i exploatare ∗∗∗∗ utilizarea de forme constructive noi si alegerea rationala a materialelor ∗∗∗∗ asigurarea interschimbabilit��ii totale (partiale) a pieselor ∗∗∗∗ asigurarea protec�iei muncii, a ergonomicit��ii, a esteticii produsului ∗∗∗∗ deservire simpla, intretinere usoara ∗∗∗∗ respectarea cerintelor legate de protectia mediului si de poluare etc Obiectul cursului. Masina: � de piese (repere) sau subansamble componente, cea mai

mare parte a acestora fiind denumite organe de masini (OM). OM: (p�r�i componente ale masinilor) au aceia�i form� sau o form� asem�n�toare, cu

aceia�i func�ie sau cu o func�ie asem�n�toare, intr� în compunerea mai multor tipuri de ma�ini, putând fi calculate �i proiectate separat.

Clasificarea OM dupa mai multe creierii:

2

2

1. dupa structura : • OM simple (repere, piese): arbori, roti dintate, pene, suruburi etc • OM complexe (subansamble): rulmenti, cuplaje, frane, lanturi …

2. dupa gradul de utilizare

• OM cu destinatie gen.: OM de asamblare (pene, suruburi, piulite, stifturi etc), arb. dr., transm. de uz general, AN, cuplaje, rul. …

• OM cu destinatie speciala (restransa): arbori cotiti, pistoane, cilindrii de motor, volanti, trolii, carlige

La proiectarea si constructia masinilor (si a OM) � documentatie tehnica proiect. Cuprinsul prioectului (in afara calculului tehnico economic sau de fezabilitae): • o parte grafica: desene de ansamblu, de subansamblu, desene de executie; • o parte scrisa compusa din: MT, BDB, NC, CS (instructiuni de fabricare, de montaj,

punere in functiune, incercare, exploatere, intretinere, norme de tehnica securitatii muncii, lista pieselor de schimb).

Studiul organelor de ma�ini (de uz general) se refer� la urm�toarele: • organele de asamblare (demontabile, elastice); • organele mi�c�rii de rota�ie (osii �i arbori, fusuri, lag�re, cuplaje); • organele transmisiilor mecanice (ro�i cu fric�iune, angrenaje, transmisii prin curele,

transmisii prin lan�uri). 1.2. Standarde Standardele: norme obligatorii ce cuprind prescriptii unitare dupa care se desfasoara

activitatea economica. In cadrul activitatilor ingineresti standardele:� unificarea si tipizarea produselor atat din punct de vedere dimensional cat si al conditiilor de calitate.

Datorita marei lor diversitati, OM sunt: • OM standardizate (OM care se adopta); • OM nestandardizate (OM ce se calculeaza si se proiecteaza).

Standardele romanesti: STAS (SR). Standardele straine: ISO, DIN, ASTM, ASM, GOST. 1.3. Materiale utilizate în construc�ia organelor de ma�ini In construc�ia OM de uz general: Fontele (in stare turnata, prelucrate prin aschiere) au costuri mai mici decât o�elurile: • fontele cenu�ii, simbol: Fc+�r ,[MPa]: Fc100, Fc 150, Fc 200, Fc 250, Fc 300 • fontele cu grafit nodular, simbol Fgn +B+�r ,[MPa]: (B = bainitic�): Fgn B800, Fgn

B900, Fgn B1000, Fgn B1100 • fontele maleabile, albe (Fma 350), negre (Fmn 300) si perlitice (Fmp 450) • fontele refractare, austenitice, antifric�iune • O�elurile (turnate, deformate plastic, sudate, prelucrate prin aschiere) :

3

3

• o�elurile carbon de uz general (în stare normalizat�, laminate-OL): pentru constructii mecanice: OL50, OL60, OL70, pentru constructii sudate de uz general, la care producatorul garanteaza sudabilitatea (%C ≤ 0,25) si clasa de calitate (CC): OL32.1, OL34.1, OL37.1, (CC: 1, 2, 3), OL44.2 (CC: 2, 3, 4), OL52.2 (CC: 2, 3, 4)

• o�elurile carbon de calitate, (in stare laminata-OLC): TTCh cem.: OLC10, OLC15, OLC20, OLC25, si TT imb.= C + R: OLC35, OLC45, OLC50, OLC55, OLC60

• oteluri carbon turnate in piese: gr.1 (σr si A): OT500.1, OT550.1, gr.2 (σr , A, σc) si gr.3 (σr , A, σc , KCU300/2 )

• oteluri pentru tevi fara sudura : OLT35, OLT45, OLT65 • o�elurile slab aliate cu 1 EA (�σr : Cr sau Mn), cu 2 EA (�σr : Cr, Mn si � calibilitatii:

Ni, Si) si cu 3 EA (�σr :Cr, Mn, � calibilitatii: Ni, Si si prevenirea fragilitatii la revenire: Mo); � utilizate in CM fiind destinate TT imb.= C + R, TTCh cem., carbonitr., nitrur.

• o�eluri pentru arcuri: carbon (OLC70A) si slab aliate (56Si17A) • oteluri pentru scule: carbon (OSC8) si aliate (C ≥ 1 %) cu Cr, W, Mn rezistente la

uzare (la rece si la cald), la socuri (Rp1, Rp2) • o�eluri pentru rulmen�i: RUL 1, RUL 2 • o�elurile austenitice manganoase (turnate în piese) cu rezistenta deosebita la uzare; • o�elurile inoxidabile turnate în piese • o�elurile refractare �i anticorozive turnate în piese Materialele metalice neferoase: ptr. �conductivitate termic� �i electric�, �comportare

la uzare, �rezisten�� la coroziune: bronzuri (Cu-Sn), alame (Cu-Zn) sau cu Al, Pb si Sn). �Cost Metalurgia pulberilor: o mare gama de produse obtinute din pb. Met. si nemet. Mat. ceramice, mat. sticloase, mat. fibroase, cauciucul, mat. plastice 1.4. Precizia organelor de ma�ini Precizia dimensional�. -Abatere efectiv� A = dimensiunea efectiv� E (m�surarea

piesei) - dimensiunea nominal� N (înscris� pe desen). Ai (abat infer.)< A < As (abat. super) (Ai , As) = f( precizia aleas�); � = As - Ai = marimea campului de toleranta (�� � precizia) Alezaj: dimensiunea interioar� (diametrul unui alezaj sau o lungime a unui canal) Arbore: dimensiunea exterioar� (diametru sau lungime) Ajustajul: asamblarea dintre alezaj �i arbore (cu joc, intermediar, cu strângere). Sistemul de ajustaje alezaj unitar (H) (fig. 1.1) �alez = const. Ai = 0; As > 0. Tipul ajustajului se modific� o dat� cu pozi�ia câmpului de toleran�� al arborelui. Sistemul de ajustaje arbore unitar (h) (fig. 1.1) �arb = const. Ai < 0; As = 0. Tipul ajustajului modificându-se odat� cu pozi�ia câmpului de toleran�� al alezajului. Ajustajele recomandate si preferen�iale (sirul 1 de preferentialitate) � STAS

4

4

Trepte de toleranta: STAS (în conf. ISO) 20 trepte de tolerante (01, 0, 1, 2,…18) - OM de uz general (care formeaz� ajustaje), cu t.t. 5, 6, 7, 8, 9, (10, 11, 12); - suprafe�ele libere (care nu formeaza ajustaje), cu t.t. 13, 14 … 18. Simbolizarea pozi�iilor câmpurilor de toleran�� (claselor de toleranta): alezaje

(majuscule) , arbori (cu litere mici) + o cifr� care indic� treapta de toleranta Asambl�rile tolerate: valoarea nominal� + frac�ie cu: num�r�tor simbolul câmpului de

toleran�� (clasei de toleranta) al alezajului iar la numitor simbolul câmpului de toleran�� (clasei de toleranta) al arborelui.

Fig. 1.1 Sistemul alezaj unitar

Ex.: 6k/7H35Φ , N = 35 mm, alezajul: H7 (As = +0,025, Ai = 0), arborele: k6 (As = +0,018, Ai = +0,002 � ajustaj intermediar → ptr. rulmenti pe arbore.

5

5

Inscrierea pe desene a ajustajului si a câmpului de toleran�� (clasei de toleranta) al arborelui si alezajului in sistemul alezaj unitar � fig.1.2.

Precizia de form� �i pozi�ie. Abaterile de form� �i pozi�ie: impreciziile de prelucrare, de vibra�iile MU, de urmele sculelor de prelucrat (rugozitatea), �STAS

Toleran�ele de form�: rectilinitate, planitate, circularitate, cilindricitate, la forma dat� a profilului sau a suprafe�ei.

Inscrierea pe desene a toleran�elor de form�: STAS , dou� c�su�e (tab. 1.1): − simbolul toleran�ei; − valoarea toleran�ei,[mm].

Fig. 1.2 Inscrierea pe desen a ajustajului si a clasei de toleranta al arborelui si alezajului in sistemul alezaj unitar

Tabelul 1.1

Tolerante de forma, simbolizarea si indicarea lor pe desene

Toleran�ele de pozi�ie: paralelism, perpendicularitate, înclinare, b�taia radial� �i frontal�,

coaxialitate �i concentricitate, simetrie, intersectare si pozi�ia nominal�.

6

6

Inscrierea pe desene a toleran�elor de pozitie: dou� c�su�e (tab. 1.2): − simbolul toleran�ei; − valoarea toleran�ei, [mm]; − litera de identitate a bazei de referin��.

Rugozitatea Rz (adâncimea medie a neregularit��ilor) Inscrierea pe desene a rugozitatea Ra : starea finit� a suprafe�ei, inclusiv TT, sau

acoperirile electro sau termo-chimice (fig. 1.3). In tab. 1.4 sunt indicate cateva recom. pentru alegerea rugozitatii Ra in functie de destinatia suptafetei si de procedeul de prelucrare.

Tabelul 1.2

Tolerante de pozitie, simbolizare si indicarea lor pe desene

7

7

Fig. 1.3 Inscrierea pe desen a rugozitatii si abaterilor de forma

Tabelul 1.4

Rugozit��i ob�inute prin diferite procedee de prelucrare

Procedeul de prelucrare Ra , [µm] Turnare 3,2…200 Forjare 1…20 Rabotare 1… 80 Strunjire 0,1…80 Alezare 0,04…6,3 Frezare 0,16…25 Rectificare 0,01…6,3 Honuire 0,004…0,1 Rodare 0,004…2,5

1.5. Criteriile de baza ale calculului organelor de masini 1. Criteriul rezistentei (la solicit�ri statice sau dinamice, simple sau compuse). In

functie de simultaneitatea actiunii lor, solicitarile mecanice pot fi: solicitari simple (intindere, compresiune, incovoiere, rasucire, forfecare, contact etc) si solicitari compuse. Se introduc notiunile:

− tensiune nominala: reala (efectiva), de calcul din RM la o solicitare simpla; − tensiunea echivalenta: idem ptr. solicitare compusa Criteriul rezistentei se poate aplica pentru calculul la: − solicitari admisibile, compara , σn cu σa (ingineria mecanica); − solicitari la stari limita, compara σn cu σc (ingineria civila). Solicitari admisibile: − pentru solicitari simple ( incovoiere sau rasucire) : σn ≤ σa sau τn ≤ τa − pentru solicitari compuse (incovoiere + rasucire) � tensiunea echivalenta: σe ≤ σa Tensiune periculoasa (σ , τ) tensiunea la care integritatea piesei este distrus� si care

are valori mult mai mari decat tensiunea admisibila:

8

8

• ptr. solicit�ri statice �i mat. fragile, tens. periculoas�: (σr , τr) • ptr. solicit�ri statice (fig. 1.4) �i mat. tenace tens. periculoas�: σ02 , σc • ptr. solicit�rile oscilante tens. periculoas�: σR (R = σmin /σmax , R = τmin /τmax)

functie de natura ciclului de solicitare, σR → σ0, σ-1, τ0 , τ-1 Sigurantei constructiei: masurata prin (tens. periculoasa - tens. admisibila). � Deoarece determinarea tensiunilor admisibile se face cu un anumit grad de

incertitudine, proiectantul trebuie sa-si ia o rezerva de siguranta.

• coeficientul de siguranta nominal, minn

tensiunea periculoasac

tensiunea no ala= ;

• coeficientul de siguranta admisibil, a

tensiunea periculoasac

tensiunea admisibila= .

Conditia de rezistenta: cn ≥ ca

Fig. 1.4 Curbe caracteristice tensiune-deformatie pentru otel: a)-cu limita aparenta de curgere (oteluri moi); b)-fara limita aparenta de curgere (oteluri cu plasticitate scazuta);

2. Criteriul de rigiditate ∆ [ ∆a 3. Criteriul de stabilitate la diferite solicit�ri urmareste evitarea pierderii stabilitatii la

diderite solicitari (flambaj, voalarea etc), in special pentru constructii cu rigiditate scazuta (arbori lungi solicitati si la forte axiale, pereti subtiri etc). De cele mai multe ori aceasta conditie se pune sub forma unei relatii de ordine dintre incarcarea nominala si incarcarea critica rezultata dintr-un calcul de stabilitate: F [ Fcr

4. Criteriul de rezisten�� la uzur�: evitarea uzurii pronuntate ale OM in special pentru cele care formeaza ajustaje, fapt � la � jocurilor , �soliciterilor dinamice.

5. Criteriul de stabilitate la vibra�ii: evitarea efectelor daunatoare ale vibratiilor si in special a fenomenului de rezonanta, pericol existent la OM de rotatie (arbori, osii).

6. Criteriul de asigurare a ungerii: limiteaza presiunile pn [ pa

9

9

7. Crtiteriul de limitare a înc�lzirii: evitarea scoaterii din uz a OM cu suprafete in contact aflate in miscare relativa datorita incalzirii: (Pspec.fr) [ (Pspec.fr.)a sau (pv) [ (pv)a

8. Criteriul reciclarii : penuriei de materii prime � conceptul de productie durabila. 9. Criteriul ecologic: care urmareste evitarea poluarii mediului.

1.6. Etapele de proiectare ale organelor de ma�ini Etape: 1. Studierea conditiilor de exploatare. 2. Stabilirea incarcarilor reale. 3. Stabilirea criteriilor de calcul ce vor fi utilizate, a ipotezelor si a modelului de calcul. 4. Adoptarea rationala a materialelor si a TT (TTch) specifice. 5. Stabilirea proprietatilor mecanice necesare ale materialelor. 6. Predimensionarea din conditia de rezistenta a OM din RM. 7. Proiectarea formei constructive preliminare a OM. 8. Verificarea formei constructive alese la celelalte conditii (criterii) de calcul. 9. Definitivarea formei constructive a ansamblului si desenelor de executie. 10. Intocmirea documentatiei de executie. 11. Intocmirea programului de reciclare a mater. dupa iesirea din uz.

1.7. Criterii pentru adoptarea coeficientului de siguran�� admisibil la organele de ma�ini de uz general

Coeficientul de siguranta admisibil, (prescris), ca � nivelul de securitate ptr. OM proiectat. Nivelul de siguranta = f(importanta constructiei, alti factori) � Coeficientul de siguranta admisibil, folosit doar la aplicarea criteriului de rezistenta pentru:

• determinarea tensiunilor admisibile, in calculul de predimensionare; • compararea cu coeficientul de siguranta nominal, in calculul de verificare. Coeficientul de siguranta admisibil la OM de uz general, daca nu este impus este:

ca = ca1 ca2 ca3 ca4

unde: ca1 – coeficient de siguranta partial care depinde de materialul utilizat; ca1 = 1,4…1,7 pentru oteluri; ca1 = 2…3, pentru fonte ca2 – coeficient de siguranta partial = f (importanta OM) in ansamblul masinii proiectate

si de gravitatea distrugerii provocate la deteriorarea OM respectiv: ca2 = 1,0…1,1 � NU-oprirea masini si NU-accidente; ca2 = 1,1…1,2 � DA-oprirea masini si NU-accidente; ca2 = 1,2…1,3 DA-oprirea masini si DA-accidente;

ca3 – coeficient de siguranta partial care depinde (ipotezele de calcul); ca3 = 1,1…1,3; ca4 – coeficient de siguranta partial care depinde caracterul sarcinii; ca4 = 1,0…1,3;

10

10

1.8. Stabilirea tensiunilor admisibile pe categorii de solicit�ri particulare Calculele de rezistenta → predim. OM → tensiunile admisibile la solicitarile respective.

Pentru simplif. calculelor → solicit. reale ce apar in OM proiectate, tinand seama de modul de variatie al acestora in timp, pot fi incadrate intr-una din cele trei solicitari particulare (tab. 1.5):

• solicitare statica (pseudostatica) cu un ciclu de solicitare pulsant pozitiv (I); • solicitare dupa un ciclu de solicitare pulsant nul (II); • solicitare dupa un ciclu de solicitare alternant simetric (III).

Tabelul 1.5

Determinarea tensiunilor admisibile pentru organele de masini de uz general

Notatii: (σ-1)piesa , σ-1 , ca , β , ε , γ , σmax , τmax , σmin , τmin