2012-2013 בחן מס` 1
Transcription
2012-2013 בחן מס` 1
הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות 16/12/2012 בחן – Iחלקי מכונות 2 הנכם רשאים להשתמש בכל חומר עזר )פרט למחשבים אישיים ולחומר עזר אנושי.(... משך הבחן – שעתיים. שאלה (70%) 1 באיור 1מתואר שרטוט עקרוני של משאבת גלגלי שיניים ישרות. איור :1תיאור עקרוני של משאבת גג"ש ישרות. יניקת )כניסת( המשאבה בצד שמאל והסניקה )פליטה( בצד ימין באיור .גלגל השיניים המניע )גג"ש תחתון באיור( מונע באמצעות מנוע וסובב כנגד כיוון השעון .גג"ש זה מניע גג"ש זהה ,בטלן )גג"ש עליון( ,הסובב בכיוון הפוך .כאשר גלגלי השיניים סובבים ,נוזל הכלוא במרווחים שבין השיניים לבין דופן בית המשאבה מועבר מצד היניקה לצד הסניקה .יש לשים לב כי הנוזל עובר בהיקף גלגלי השיניים ולא בין גלגלי השיניים. פעולת גלגלי השיניים יוצרת תת לחץ בצד היניקה הגורם לנוזל להיכנס אל בית המשאבה .הנוזל היוצא מסניקת המשאבה מועבר לצרכנים השונים .התנגדות צרכנים אלו לזרימת הנוזל )מפל לחץ( גורמת לעליית הלחץ בצד הסניקה של המשאבה. הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות הספיקה התיאורטית של המשאבה Q ,נתונה על ידי הביטוי: Q = q ⋅ n = 2π ⋅ d ⋅ b ⋅ m ⋅ n כאשר: - qהדחק )(mm3/rev - dקוטר מעגל הפסיעה )(mm - bרוחב גלגלי השיניים )(mm - mמודול )(mm - nמהירות סיבוב )(rps המשאבה מונעת על ידי מנוע הסובב במהירות 3600סל"ד .נצילות המשאבה )הספק הידראולי יוצא /הספק מכאני נכנס( הנה .85%המשאבה נדרשת לבנות לחץ של .15 MPa הנך נדרש לתכנון עקרוני של גלגלי השיניים ) (d, b, mשל המשאבה בהתאם לנתונים הבאים: גלגלי שיניים ישרות ,זווית לחץ . 200שני גלגלי השיניים עשויים פלדה grade 2מחוסמת למלוא העומק בקושי . 300 BHNבית המשאבה וגלגלי השיניים יתוכננו בדרגת איכות 11ובאמינות .99%ניסויים הראו כי עבור אפליקציה זו ניתן להשתמש במקדמים דלהלן. K H = 1.2, K B = 1, K o = 1.1, K s = 1, Yθ = 1 : כמו כן נמצא כי את המקדם הדינמי נדרש לחשב בהתבסס על המהירות המרבית המותרת לדרגת האיכות. המשאבה מתוכננת ל 10,000 -שעות עבודה .מקדם הביטחון לתכנון .2 ,התכנון יתבסס על עמידה במאמצי כפיפה בלבד .מתחייב שימוש במודול סטנדרטי. נדרש: א. ) (45%מצא ביטוי להספק המכאני Hהנדרש להינע המשאבה וחשב את מספר השיניים Nשל גלגלי השיניים לקבלת ספיקה מרבית. ב. ) (20%חשב את הקוטר ,בחר את המודול ,קבע את מספר השיניים בפועל ואת רוחב הגג"ש לקבלת ספיקה מרבית ועמידה בתנאי התכן. ג. ) (5%חשב את ספיקת המשאבה ) (m 3 sוהספק המנוע ) (kWהנדרש להינע המשאבה. הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות פתרון א. H out נצילות המשאבה ηמחושבת באמצעות הקשר הבא : H = ηכאשר Houtזהו ההספק ההידראולי ביציאה ו H -זהו ההספק המכני בכניסה. P ⋅ 2π dbm ⋅ n הספק ההידראולי ביציאה מחושב ע"י : 103 = H out = PQ = P ⋅ q ⋅ nכאשר Pהוא הלחץ של המשאבה .ישנה חלוקה ב 103 -על מנת לקבל את ההספק ביחידות של .watt P ⋅ 2π dbm ⋅ n לכן ,ההספק המכני בכניסה הנדרש מהמנוע הוא : η ⋅103 = H out η = Hכאשר הקוטר ,dהרוחב b והמודול mמחושבים במ"מ ,הלחץ Pמחושב ב MPa -ומהירות הסיבוב nנתונה בסל"ש. לפי נוסחת ,AGMAהתנאי למניעת כשל בכפיפה הוא כדלהלן : Wt S Y K K K o K v K s H B ≤ σ b ,all = t N bm YJ S f Yθ YZ הכוח המשיקי Wtמחושב באמצעות הקשר הבא : = σb H H P ⋅ 2 π d bm ⋅ n 2P = = ⋅103 = ⋅ 103 ⋅b ⋅ m 3 ] v π d[ mm ]n[ rps η π d [ mm ] n [ rps ] ⋅η ⋅ 10 נציב זאת בנוסחת AGMAונקבל : 2P K H K B St YN K KK ≤ η o v s YJ S f Yθ YZ מכאן : S YY 2P ≥ YJ KO K v K s K H K B f θ Z η St YN נחשב את כל המקדמים החסרים : = Wt • המקדמים הנתונים הינם .KO=1.1, Ks=1, KH=1.2, KB=1, Yθ=1, SF=2 • המקדם הדינמי ניתן לחישוב בהינתן דרגת האיכות .Qv=11לכן המקדמים A,Bהינם : 2/3 )(12-11 =B =0.25 4 A=50+56 (1-B ) =92 A+ ( Q v -3) 92+ (11-3) . v max = = המהירות המקסימלית המותרת הינה = 50m /sec : 200 200 2 0.25 לכן המקדם הדינמי הינו =1.2 : 2 B A+ 200 ⋅ v 92+ 200 ⋅ 50 . K v = = A 92 הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות • החוזק המותר לכפיפה ,עבור פלדה Grade2בחיסום מלא לרמת קשיות של ,HB=300מחושב ע"י : St = 0.703H B + 113 = 0.703 ⋅ 300 + 113 = 323.9MPa • עבור אמינות של 99%מקדם האמינות הוא .YZ=1 • לחישוב מקדם אורך החיים נחשב את מספר המחזורים לכשל : rev min [N = 3600 [] ⋅ 60 ]] ⋅10000[hr ] = 2.16 ⋅109 [cycles min hr עבור אפליקציות לשימושים רגילים נחשב את מקדם אורך החיים לפי הקשר הבא : = 0.9248 -0.0178 ) YN =0.84=1.3558 ⋅ N -0.0178 = 1.3558 ⋅ ( 2.16 ⋅109 נציב את ערכי כל המקדמים ונקבל תנאי על המקדם הגאומטרי : YJ S f Yθ YZ 2 ⋅15 ( 2 ) ⋅ (1) ⋅ (1) = 0.3738 = ⋅ )⋅ (1.1) ⋅ (1.2 ) ⋅ (1) ⋅ (1.2 ) ⋅ (1 η 0.85 St YN )( 323.9 ) ( 0.9248 מספר השיניים הקטן ביותר המקיים תנאי זה הוא ) Np=NG=27עבור זווית לחץ ,20°יחס התמסורת הוא .(1 KO Kv K s K H K B 2P ≥ YJ ב. לקבלת ספיקה מרבית יש לבחור קוטר ומודול מקסימליים .ישנו תנאי על המהירות המקסימלית המותרת. πd n כלומר . v = mm3 rps < vmax = 50m /sec :לכן הקוטר המקסימלי הניתן לשימוש הוא : 10 3 3 v ⋅10 50 ⋅10 d max = max = = 265.26mm π nrps π ⋅ 60 d 265.26 = . mmax = maxנבחר את המודול המודול המקסימלי מתקבל כשמספר השיניים קטן = 9.82mm : N min 27 הסטנדרטי הקרוב ביותר למודול המקסימלי שניתן לשימוש .m=8mm :עבור מודול זה ניתן לבחור מספר שיניים גדול יותר מהמינימלי שחושב ע"מ לקבל קוטר מקסימלי .מספר השיניים המקסימלי עבור המודול d max 265.26 = הנבחר הוא = 33.16 m 8 = . N maxלכן נבחר N=33שיניים לגיר ולפיניון. במצב זה קוטר גלגלי השיניים הוא . d = mN = 8 ⋅ 33 = 264mm רוחב גלגל השיניים המירבי הוא . b = 5π m = 5 ⋅ π ⋅ 8 = 125.66mm ג. ) 2 ⋅ π ⋅ ( 264 ) ⋅ (125.66 ) ⋅ ( 8 ) ⋅ ( 60 = . Q = 2π dbmn ספיקת המשאבה המתקבלת היא = 0.1m3 /sec 109 ) P ⋅ 2π dbmn (15 ) ⋅ ( 2π ) ⋅ ( 264 ) ⋅ (125.66 ) ⋅ ( 8 ) ⋅ ( 60 = .H = הספק המנוע הנדרש הוא = 1765kW η ⋅106 ( 0.85) ⋅106 הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות שאלה (30%) 2 לשני גלגלי שיניים הנמצאים בשילוב מודול 10מ"מ וזווית לחץ .20°לפיניון 20שיניים ולגיר 30שיניים. גובה ראש השן )אדנדום( בכל גלגל שיניים אינו סטנדרטי ומיוצר כך שאורך השילוב מכל צד של נקודת החלוקה )נקודת ההשקה בין מעגלי החלוקה( שווה למחצית האורך הכולל שבין נקודת החלוקה לנקודת ההשקה עם מעגל הבסיס המתאים .ניתן להניח כי על גבי מעגל החלוקה עובי השן שווה למחצית הפסיעה. נדרש: א. ) (10%חשב את רדיוס מעגל הראשים )רדיוס אדנדום( של כל גלגל שיניים. ב. ) (10%חשב את אורך המגע המתקבל ואת יחס המגע. ג. ) (10%חשב את עובי השן במעגל הראשים של הפיניון. פתרון א. נסמן את הנקודות הבאות : – Aנקודת תחילת השילוב ,נקודת חיתוך רדיוס האדנדום של הגיר עם קו הלחץ. – Bנקודת סיום השילוב ,נקודת חיתוך רדיוס האדנדום של הפיניון עם קו הלחץ. – Cנקודת החיתוך של קו הלחץ עם מעגל הבסיס של הפיניון. – Dנקודת החיתוך של קו הלחץ עם מעגל הבסיס של הגיר. – Pנקודת החלוקה ,נקודת ההשקה בין מעגלי החלוקה של הגיר והפיניון. הטכניון – הפקולטה להנדסת מכונות עפ"י הנתונים : Np=20, NG=30, φ=20°, m=10mm כמו כן נתונים הקשרים הבאים : PC PD = , BP 2 2 = AP נשים לב כי PC = rp sin φ :ו. PD = rG sin φ - נחשב את רדיוסי החלוקה של הגיר והפיניון : d p mN p 10 ⋅ 20 d mN G 10 ⋅ 30 = = 150mm . = rp = = = = 100mm , rG = G 2 2 2 2 2 2 לכן PD = rG sin φ = 150 ⋅ sin ( 20° ) = 51.3mm :ו. PC = rp sin φ = 100 ⋅ sin ( 20° ) = 34.2mm - PC 34.2 PD 51.3 = = BPו= 17.1mm - = מכאן נקבל כי = 25.65mm : 2 2 2 2 נחשב את רדיוסי הבסיס של הגיר והפיניון : rbp = rp cos φ = 100 ⋅ cos ( 20° ) = 93.97 mm , rbG = rG cos φ = 150 ⋅ cos ( 20° ) = 140.95mm = . AP רדיוסי האדנדום של הגיר והפיניון מחושבים באמצעות משפט פיתגורס : ( BP + PC ) + r = ( 25.65 + 34.2 ) + 93.97 = 111.41 ( PD + AP ) + r = ( 51.3 + 17.1) + 140.95 = 156.67 2 2 mm 2 mm 2 2 2 bp 2 bG 2 2 = rap = BC + rbp2 2 2 raG = AD + rbG = ב. אורך המגע בשאלה זו מחושב ישירות עפ"י הנוסחה הבאה : LAB = AP + BP = 17.1 + 25.65 = 42.75mm נחשב את יחס המגע : LAB 42.75 = mc = = 1.448 ) π m cos φ π ⋅10 ⋅ cos ( 20° ג. p π m π ⋅10 = = . tp = עובי השן במעגל החלוקה שווה למחצית הפסיעה = 15.708mm : 2 2 2 זווית הלחץ למעגל הראשים מחושבת באמצעות : rbp rap −1 93.97 = cos = 0.567 rad = 32.495° 111.41 לכן עובי השן במעגל הראשים של הפיניון הוא : t ta = 2rap p + invφ − invϕ a = 5.268mm 2r p ϕ a = cos −1 בהצלחה!