ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Απαιτήσεις / Περιορισμοί ως προς την κατασκευή του δοκιμαστηρίου... 9

Transcript

1 Περίληψη Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδιομελέτη για την πειραματική διερεύνηση της αντοχής ελασμάτων καμπτικών ελατηρίων (φύλλα σούστας). Η διάταξη έχει τη δυνατότητα μονοαξονικής καταπόνησης της σούστας. Το δοκιμαστήριο σχεδιάστηκε και μελετήθηκε από την αρχή χρησιμοποιώντας μόνο το ήδη υπάρχον έμβολο από το εργαστήριο. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην όσο το δυνατόν πλησιέστερη καταπόνηση της κάθε σούστας σε συνθήκες λειτουργίας της. Το δοκιμαστήριο έχει τη δυνατότητα δοκιμών σε μπροστινές και οπίσθιες σούστες. Μπορεί να καταπονήσει σούστες με μήκος από 1000 mm έως 2000 mm το οποίο πρακτικά καλύπτει όλη τη γκάμα αυτών. Για τα πειράματα υπάρχουν δύο βασικές παραλλαγές. Η πρώτη καταπονεί οπίσθιες και εμπρόσθιες σούστες οι οποίες εδράζονται ελεύθερα πάνω σε πειροφόρο (οπίσθιες) ή κατάλληλη κινητή έδραση (εμπρόσθιες). Σε αυτήν τη δοκιμή το φύλλο απλά βυθίζεται δεχόμενο μία κάθετη δύναμη και δοκιμάζεται η αντοχή του σε κόπωση. Η δεύτερη παραλλαγή, η οποία αποτέλεσε και έναν από τους βασικούς λόγους εκπόνησης της συγκεκριμένης εργασίας, είναι η έδραση του σουστόφυλλου με μηχανισμό διωστήρα. Με αυτόν τον τρόπο προσομοιώνονται όσο γίνεται καλύτερα οι πραγματικές συνθήκες λειτουργίας μίας σούστας. Σε αυτήν την περίπτωση, το σουστόφυλλο εδράζεται στο ένα άκρο με μία άρθρωση ενώ στο άλλο με ένα διωστήρα. Λόγω του «μοχλού» που δημιουργεί ο διωστήρας, το κέντρο της σούστας εκτελεί πλέον μία επίπεδη κίνηση εφόσον εκτός από τη μετατόπιση στον κάθετο άξονα z υπάρχει και μία στον οριζόντιο άξονα x. Η συγκεκριμένη απαίτηση του εργαστηρίου οδήγησε σε περαιτέρω δυσκολίες όσον αφορά την έδραση ου εμβόλου. Καθώς αυτό απαγορεύεται να λάβει οποιοδήποτε άλλο φορτίο πέρα από αξονικό, δεν θα μπορούσε να είναι στερεά συνδεδεμένο σε σταθερό σημείο. Οπότε και ακολουθήθηκε η λύση της διπλής σφαιρικής άρθρωσης η οποία δημιουργεί κατάλληλο μηχανισμό ο οποίος δύναται να δεχτεί μόνο αξονικά φορτία. Ο σκελετός της διάταξης σχεδιάστηκε από την αρχή και αποτελείται από κοιλοδοκούς εξασφαλίζοντας μειωμένο κόστος και αρκετά υψηλά επίπεδα αντοχής. Τα βασικά κατασκευαστικά στοιχεία και οι κοχλιοσυνδέσεις του δοκιμαστηρίου υπολογίζονται με αναλυτικό τρόπο ούτως ώστε το παρόν κείμενο να μπορεί να επιτελέσει και το ρόλο εγχειριδίου το οποίο ο καθένας θα συμβουλευτεί σε περίπτωση κατασκευής του δοκιμαστηρίου. Παρατίθενται επίσης κατασκευαστικά σχέδια όλων των τεμαχίων που απαρτίζουν τη διάταξη καθώς και σχέδια συνολικά των συναρμολογημένων διατάξεων (σκελετός, εδράσεις ).

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Φύλλα σούστας και καταπόνησή τους σε συνθήκες λειτουργίας- δοκιμαστήρια... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Απαιτήσεις / Περιορισμοί ως προς την κατασκευή του δοκιμαστηρίου Κατασκευαστικά στοιχεία δοκιμαστηρίου Υδραυλικό έμβολο Σκελετός δοκιμαστηρίου Εδράσεις των σουστόφυλλων ΔΟΚΙΜΑΣΤΗΡΙΟ ΜΠΡΟΣΤΑ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΔΙΩΣΤΗΡΑ ΔΟΚΙΜΑΣΤΉΡΙΟ ΜΠΡΟΣΤΑ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΗ ΕΔΡΑΣΗ ΔΟΚΙΜΑΣΤΉΡΙΟ ΟΠΙΣΘΙΑΣ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΗ ΕΔΡΑΣΗ Ασφάλεια-Προστασία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Υπολογισμός δοκών σκελετού Πάνω τετραγωνική δοκός σκελετού Υπολογισμός δοκού στήριξης Κάτω τετραγωνική δοκός σκελετού Υπολογισμός κοχλιοσυνδέσεων Κοχλιοσύνδεση πάνω τετραγωνικής δοκού κάθετων δοκών Κοχλιοσύνδεση κάτω τετραγωνικής δοκού κάθετων δοκών Κοχλιοσύνδεση δοκού στήριξης κάτω τετραγωνικής δοκού... 53

3 3.3 Υπολογισμός προέκτασης εμβόλου σε λυγισμό Συμπεράσματα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΟΧΛΙΟΣΥΝΔΕΣΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΜΟΣ ΣΕ ΛΥΓΙΣΜΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑ Βιβλιογραφία

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1 παράδειγμα σούστας ενός άξονα... 5 Εικόνα 2 παράδειγμα σούστας δύο αξόνων... 6 Εικόνα 3 παράδειγμα σουστών μονού άξονα σε μπροστά διπλό άξονα... 6 Εικόνα 4 δυνάμεις στον τροχό του οχήματος... 7 Εικόνα 5 σκαρίφημα διάταξης μεταφοράς δύναμης μέσω μηχανικής πρέσσας Εικόνα 6 σκαρίφημα δοκιμαστικής διάταξης με υδραυλικό έμβολο Εικόνα 7 υδραυλικό έμβολο Εικόνα 8 σκαρίφημα 2-πλής άρθρωσης εμβόλου Εικόνα 9 άρθρωση rod end Εικόνα 10 σφαιρικές αρθρώσεις-ball joints Εικόνα 11 τελική κατασκευαστική λύση στην έδραση του εμβόλου Εικόνα 12 σκαρίφημα των 2 διαφορετικών κατασκευαστικών λύσεων Εικόνα 13 λάθος έδραση του εμβόλου Εικόνα 14 σκελετός δοκιμαστηρίου Εικόνα 15 ροή δύναμης στο σκελετό Εικόνα 16 κατασκευαστικά στοιχεία πειροφόρου Εικόνα 17 έδραση πίσω σουστόφυλλου Εικόνα 18 έδραση εμπρόσθιου σουστόφυλλου μέσω μηχανισμού διωστήρα Εικόνα 19 έδραση μηχανιμού διωστήρα Εικόνα 20 κινητή έδραση εμπρόσθιου σουστόφυλλου Εικόνα 21 παραλλαγές κινητών εδράσεων Εικόνα 22 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου με μηχανισμό διωστήρα Εικόνα 23 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου με κινητές εδράσεις Εικόνα 24 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου πίσω σούστας Εικόνα 25 προστατευτικό εμβόλου Εικόνα 26 προστατευτικό κλουβί Εικόνα 28 διάγραμμα ροπής στην πάνω δοκό του σκελετού Εικόνα 29 διάγραμμα βύθισης πάνω τετραγωνικής δοκού Εικόνα 30 δυνάμεις και διάγραμμα My σε οριζόντια δοκό στήριξης Εικόνα 31 βύθιση w(x) της δοκού στήριξης Εικόνα 32 δυνάμεις και διάγραμμα My της κάτω τετραγωνικής δοκού Εικόνα 33 ροπή συστροφής Mx στην κάτω τετραγωνική δοκό Εικόνα 34 κάθετη δοκός, ροπή My Εικόνα 35 κάθετη δοκός, ροπή Mz Εικόνα 36 κάθετη δοκός,διάγραμμα w(x) Εικόνα 37 Ισοδύναμη τάση στο σκελετό Εικόνα 38 Μέγιστη παραμόρφωση στο σκελετό Εικόνα 39 μοντέλο για την περιγραφή των κοχλιοσυνδέσεων της πάνω δοκού Εικόνα 40 μοντέλο για την περιγραφή των κοχλιοσυνδέσεων της κάτω δοκού Εικόνα 41 μοντέλο για την περιγραφή της κοχλιοσύνδεσης δοκού στήριξης κάτω δοκού Εικόνα 42 μοντέλο περιγραφής εμβόλου... 57

5

6

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΣΥΜΒΟΛΟ F x F y F z M y M z Mx w (x) v (x) σ max σ eq R 0,2 E F λ F λμmax F π F πmax T σ za σz Aεπ S z0,2 S zα p m λ λ λ ρ l Σλ /l Σ α π μ 0 μ Σ0 Αd Α 3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ Δύναμη στον άξονα x Δύναμη στον άξονα y Δύναμη στον άξονα z Εσωτερική Ροπή στη διεύθυνση του άξονα y Εσωτερική Ροπή στη διεύθυνση του άξονα y Εσωτερική Ροπή στη διεύθυνση του άξονα y Βέλος κάμψης στον άξονα z Βέλος κάμψης στον άξονα z Μέγιστη ορθή τάση Ισοδύναμηη ορθή τάση Όριο διαρροής του υλικού Μέτρο ελαστικότητας υλικού Δύναμη λειτουργίας του κοχλία Μέγιστη αξονική δύναμη λόγω ροπής Μ Ελάχιστη δύναμη προέντασης κοχλία Μέγιστη δύναμη προέντασης κοχλία Ροπή προέντασης κοχλία Ημιεύρος δυναμικής τάσης στο σπείρωμα Επιτρεπόμενη τάση σπειρώματος Συντελεστής ασφαλείας σπειρώματος σε μήκυνση Συντελεστής σε δυναμική θραύση Επιφανειακή πίεση κεφαλής κοχλία-επιφανείας Βαθμός λυγηρότητας Βαθμός λυγηρότητας Όριο βαθμού λυγηρότητας υλικού Συντελεστής λειτουργίας Συντελεστής προέντασης Συντελεστής τριβής μεταξύ κοχλία και στοιχείων περικοχλίου Συντελεστής τριβής μεταξύ στοιχείων Επιφάνεια λείου κορμού κοχλία Επιφάνεια πυρήνα σπειρώματος Σελίδα 1 από 74

8 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 E (kp/mm 2 ) P Ε Κ Ε Σ d d 3 d 2 l l d l 3 l Σ S D 0 C Σ C Σl l/c κλ κ 1 κ 2 P κ L κ Ι min S ολ σ zα ds Μέτρο ελαστικότητας υλικού Βήμα σπειρώματος Μέτρο ελαστικότητας υλικού κοχλία Μέτρο ελαστικότητας υλικού στοιχείων Ονομαστική διάμετρος κοχλία Διάμετρος πυρήνα σπειρώματος Μέση διάμετρος σπειρώματος Μήκος σπειρώματος κοχλία Μήκος κορμού χωρίς σπείρωμα Μήκος ελεύθερου κορμού με σπείρωμα Πάχος στοιχείων Διάμετρος μετωπικής επιφάνειας κεφαλής Διάμετρος οπής συνδεόμενων στοιχείων Σταθερά ελατηρίου στοιχείων Σταθερά ελατηρίου λειτουργίας στοιχείων Σταθερά ελατηρίου λειτουργίας κοχλία Συντελεστής κατασκευής σπειρώματος κοχλία Συντελεστής μορφής περικοχλίου Κρίσιμο φορτίο λυγισμού Ελεύθερο μήκος λυγισμού Ελάχιστη ροπή αδράνειας Συντελεστής ασφάλειας κοχλιοσύνδεσης σε ολίσθηση Ημιεύρος δυναμικής αντοχής πυρήνα στρώματος Διατομή καταπονήσεως στρώματος κορμού Σελίδα 2 από 74

9 Εισαγωγή Στο παρόν κείμενο γίνεται μία περιγραφή του δοκιμαστηρίου μονοαξονικής καταπόνησης φύλλων σούστας που σχεδιομελετήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία όσο το δυνατόν σύντομη αναφορά στην γκάμα των σουστών και στην καταπόνησή τους σε συνθήκες λειτουργίας. Σε ένα δεύτερο επίπεδο, τεκμηριώνεται ο σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας αναφέροντας τη βασική φιλοσοφία των δοκιμαστηρίων. Αυτά ίσως δεν μπορούν να εξηγηθούν πλήρως τόσο σύντομα και δεν είναι αυτός εξάλλου ο σκοπός του παρόντος κειμένου. Είναι όμως χρήσιμα για την εποπτεία των όσων ακολουθούν. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται αρχικά μία αναφορά στις απαιτήσεις και τους περιορισμούς που τέθηκαν για την παρούσα σχεδιομελέτη. Στη συνέχεια γίνεται μία εκτενής ανάλυση των κατασκευαστικών στοιχείων που απαρτίζουν ένα δοκιμαστήριο. Μέσα από διαφορετικές κατασκευαστικές προσεγγίσεις που παρατίθενται, καταλήγει κανείς στη τελική λύση βάσει της οποίας σχεδιάστηκε και μελετήθηκε το παρόν δοκιμαστήριο. Για λεπτομερέστερη εικόνα, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει και στο παράρτημα όπου δίνονται όλα τα κατασκευαστικά σχέδια διάταξης. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι απαραίτητοι υπολογισμοί ελέγχου που έγιναν σε καίρια κατασκευαστικά στοιχεία της διάταξης για να επιτευχθεί μία όσο το δυνατόν ασφαλέστερη κατασκευή η οποία δεν θα θέτει σε κίνδυνο ούτε την έκβαση των δοκιμών αλλά κυρίως, το εργατικό δυναμικό και το περιβάλλον στο οποίο θα διεξάγονται τα πειράματα. Τέλος, ακολουθεί παράρτημα όπου κυρίως παρουσιάζεται με συντομία η μέθοδος με την οποία υπολογίζονται οι κοχλιοσυνδέσεις, ενώ για την πλήρη ανάλυση της μεθοδολογίας μπορεί να ανατρέξει κανείς στην αναφερόμενη βιβλιογραφία. Τα σχέδια στα οποία περιγράφονται οι δυο διατάξεις παρατίθενται σε επόμενο παράρτημα. Σελίδα 3 από 74

10 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Σελίδα 4 από 74

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Φύλλα σούστας και καταπόνησή τους σε συνθήκες λειτουργίαςδοκιμαστήρια Τα φύλλα σούστας είναι ένα στοιχείο το οποίο χρησιμοποιείται συχνά στις αναρτήσεις των οχημάτων και κυρίως φορτηγών. Χρησιμοποιούνται σαν ελατήρια (leaf springs) και υπάρχουν διάφορες παραλλαγές, όσον αφορά τη μορφή τους καθώς και τον τρόπο με τον οποίο εδράζονται σε αυτά οι άξονες των οχημάτων και κατ επέκταση οι τροχοί. Επίσης διαφορετικό είναι το πλήθος των φύλλων που χρησιμοποιούνται στις διάφορες διατάξεις (μονές, διπλές τριπλές, κλπ σούστες), τα οποία λειτουργούν σε παράλληλη σύνδεση. Αυτό εξαρτάται κατά βάση από το φορτίο στο οποίο θα καταπονηθούν καθώς και τις συνθήκες λειτουργίας τους. Φύλλα σούστας χρησιμοποιούνται σε μία πληθώρα κατηγοριών οχημάτων ξεκινώντας από τα βαρέα οχήματα και καταλήγοντας σε ελαφρά ημιφορτηγά. Παλαιότερα μάλιστα υπήρξαν αρκετά διαδεδομένα και σε επιβατηγά αυτοκίνητα στα οποία πλέον έχουν κυριαρχήσει τα σπειροειδή ελατήρια λόγω αυξημένης άνεσης και καλύτερης συμπεριφοράς του οχήματος στο δρόμο. Για μεγαλύτερα βάρη και επαγγελματικά οχήματα όμως, στα οποία βασικό κριτήριο δεν είναι η άνεση, αλλά η αντοχή της διάταξης σε συνθήκες λειτουργίας, τα φύλλα σούστας συνεχίζουν να έχουν πρωταγωνιστικό ρόλο. Βασικό πλεονέκτημα των φύλλων σούστας είναι ότι μπορούν να επιτελούν παράλληλα 2 λειτουργίες. Πέρα από αυτήν του ελατηρίου (suspension) μπορούν να φέρουν και φορτία (guiding function) στο διαμήκη άξονά τους σε αντίθεση με άλλες κατασκευαστικές λύσεις όπως είναι τα ελατήρια ή οι αερόσουστες στα φορτηγά. Χρήσιμο είναι να γίνει στο σημείο αυτό μια αναφορά σε δύο βασικούς τύπους σουστών ανάλογα με τον τρόπο έδρασης των τροχών. Έχουμε λοιπόν σούστες που εδράζουν έναν ή δύο άξονες, και που στο εξής θα αναφέρονται σαν σούστες ενός και δύο αξόνων αντίστοιχα. Οι πρώτες εδράζονται στο σασί του οχήματος με μία άρθρωση και έναν διωστήρα στα άκρα τους και στο μέσο τους πακτώνεται ο άξονας. Οι δεύτερες κοντά στο μέσον τους είναι αρθρωμένες στο σασί και τα άκρα τους συνδέονται με τους άξονες. Σούστες «ενός άξονα» και «δύο αξόνων» φαίνονται στις εικόνες1 και 2. Εικόνα 1 παράδειγμα σούστας ενός άξονα Σελίδα 5 από 74

12 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 2 παράδειγμα σούστας δύο αξόνων Ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εικόνα 3 στην οποία παρουσιάζεται η έδραση μέσω σουστόφυλλων διπλού εμπρόσθιου άξονα φορτηγού στο οποίο πρέπει να εγκατασταθεί και το σύστημα διεύθυνσης. ` Εικόνα 3 παράδειγμα σουστών μονού άξονα σε μπροστά διπλό άξονα Σελίδα 6 από 74

13 Κεφάλαιο 1 Φύλλα σούστας και καταπόνησή τους σε συνθήκες λειτουργίας-δοκιμαστήρια Για την περιγραφή των δυνάμεων που καταπονούν τις σούστες ας φανταστούμε το εξής σύστημα ορθογώνιων συντεταγμένων: επίπεδο xy παράλληλο με το έδαφος, x κατά τον διαμήκη άξονα του οχήματος, και z κατακόρυφος. Στους τροχούς λοιπόν ασκούνται δυνάμεις και στις τρεις διευθύνσεις: Fz (κάθετη), λόγω του βάρους του οχήματος και της μεταφοράς φορτίου, κατά τις διαμήκεις και πλευρικές επιταχύνσεις, Fx (οριζόντια) και Fy (πλευρική) λόγω διαμηκών και πλευρικών επιταχύνσεων αντίστοιχα. Επιπλέον δυνάμεις ασκούνται βέβαια στους τροχούς λόγω των ανωμαλιών του δρόμου. Η παραπάνω ανάλυση είναι κάπως απλουστευμένη καθώς δεν λαμβάνεται υπ όψιν η κλίση των τροχών και η γωνία που μπορεί να υπάρχει μεταξύ ταχύτητας και διαμήκους άξονα, δίνει όμως καλή εικόνα των πραγμάτων. Επίσης δεν λαμβάνονται υπ όψιν δυνάμεις που δημιουργούν κλειστό σύστημα ροής δύναμης μεταξύ δρόμου, τροχών και άξονα, όπως αυτές που δημιουργούνται λόγω της σύγκλισης των τροχών. Fz Fy Εικόνα 4 δυνάμεις στον τροχό του οχήματος Fx Ανάλογα με την υλοποίηση της ανάρτησης υπάρχει λοιπόν ποικιλία όσον αφορά στο ποιες από τις δυνάμεις τελικά καταπονούν τις σούστες και σε ποιο ποσοστό «παραλαμβάνονται» από αυτές. Αναφέρεται τέλος ότι οι Fx, Fy, Fz κατά την πορεία τους προς το αμάξωμα επηρεάζονται από το βάρος και την αδράνεια των μη αναρτώμενων μαζών ιδίως στην περίπτωση κρούσεων (λακκούβες). Εν τέλει οι σούστες φορτίζονται από τους άξονες με δυνάμεις Fx σ, Fy σ, Fzσ και ροπές, κυρίως My σ και Μx σ. Ο δείκτης σ δηλώνει ότι τα μεγέθη αναφέρονται στη σούστα και όχι στους τροχούς Τα φορτία διατομής που προκύπτουν στις σούστες, αξονικά, και κυρίως καμπτικά, δε μεταβάλλονται γραμμικά με το μέγεθος των δυνάμεων που ασκούνται στους τροχούς, Fx, Fy, Fz. Αυτό συμβαίνει διότι οι παραμορφώσεις των σουστών είναι πολύ μεγάλες και έτσι αλλάζει ενεργά η γεωμετρία της ανάρτησης. Ακόμα, γίνεται προφανές ότι τα φορτία που προκύπτουν στις εγκάρσιες διατομές της σούστας διαφέρουν από εκείνα που θα προέκυπταν αν ήταν μία ευθύγραμμη και ουσιαστικά απαραμόρφωτη δοκός. Σελίδα 7 από 74

14 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εξαρτώνται σε κάποιο βαθμό και από τις στιβαρότητες διαφόρων τμημάτων της ανάρτησης και του πλαισίου. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό ότι η καταπόνηση των σουστών είναι κάπως πολύπλοκη και λόγω της κρισιμότητας της αντοχής τους, αυτή πολλές φορές μελετάται πειραματικά. Σημειώνεται ότι κατά τη σχεδίασή τους γίνεται προσπάθεια ώστε να έχουν ικανοποιητική διάρκεια ζωής, ικανοποιώντας, συγχρόνως, απαιτήσεις επαρκούς ελαστικότητας και ανεκτού βάρους και όγκου. Οι απαιτήσεις αυτές οδηγούν στο να σχεδιάζονται ώστε να λειτουργούν στην περιοχή κοπώσεως του υλικού τους. Για τη μελέτη της συμπεριφοράς των σουστών έχουν αναπτυχθεί διάφορα δοκιμαστήρια και θα ξεχωρίσουμε δύο γενικές περιπτώσεις για το σκεπτικό και την υλοποίηση της φόρτισής τους. Στην πρώτη περίπτωση το σκεπτικό είναι να χρησιμοποιούνται υποκατάστατα του άξονα και των τροχών και τμήματα της ανάρτησης που συνεισφέρουν στη ροή δύναμης, όπως η αντιστρεπτική δοκός, και να επιβάλλονται στην υποτιθέμενη θέση επαφής με το έδαφος ανάλογες δυνάμεις. Αυτές οι κατασκευές είναι αρκετά ογκώδεις, και απαιτούν την τοποθέτηση και των δύο συστοιχιών από σούστες στην πραγματική τους απόσταση. Τα υποκατάστατα που χρησιμοποιούνται πρέπει γεωμετρικά τουλάχιστον να προσομοιώνουν τα αυθεντικά. Η ιδανική περίπτωση θα ήταν, βέβαια, να προσομοιώνουν και τη στιβαρότητά τους. Κατά την άλλη περίπτωση επιβάλλονται σε συγκεκριμένο σημείο της σούστας (συνήθως στο μέσο της) κάποιες δυνάμεις και ροπές όπως Fx σ Fzσ και My σ, οι οποίες εμφανίζονται σε αυτή τη θέση και στην πραγματικότητα. Και πάλι βέβαια γίνεται κάποια μίμηση της γεωμετρίας της ανάρτησης ώστε να προκύψει ο ζητούμενος συνδυασμός καταπόνησης. Προκειμένου οι δοκιμές να είναι κοντά στην πραγματικότητα χρησιμοποιούνται όπου είναι δυνατό αυθεντικά τμήματα των αναρτήσεων, ώστε να προσομοιάζεται η τοπική στιβαρότητα. Είναι λοιπόν δυνατό, μαζί με την αντοχή των σουστών να διερευνηθεί και η αντοχή αυτών των τμημάτων αν αυτή προβληματίζει τον κατασκευαστή τους. Όπως είναι φυσικό τα πειράματα σχετικά με τις σούστες, όπως και κάθε είδους πείραμα, δεν είναι απαλλαγμένα από σφάλματα. Έτσι για παράδειγμα οι στιβαρότητες κάποιων μελών, όπως του πλαισίου και του άξονα δεν μπορούν να αναπαραχθούν πλήρως και συνήθως δεν προσομοιάζεται η κλίση του πλαισίου κατά τον εγκάρσιο άξονα. Σελίδα 8 από 74

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Απαιτήσεις / Περιορισμοί ως προς την κατασκευή του δοκιμαστηρίου. Σκοπός του δοκιμαστηρίου είναι η διερεύνηση της αντοχής σε κόπωση, μονόφυλλων σουστών οι οποίες καταπονούνται μόνο σε κάθετη διεύθυνση από μία δύναμη Fz. Αξίζει να σημειωθεί ότι αντίστοιχου τύπου δοκιμαστήριο υπάρχει ήδη στο εργαστήριο στοιχείων μηχανών και μηχανολογικού σχεδιασμού (ΕΣΜ&ΜΣ). Το παρόν όμως παρουσιάζει 2 σημαντικές διαφορές. Κατά πρώτον, μελετήθηκε κα σχεδιάστηκε ούτως ώστε να καταπονεί μικρότερες σούστες (αυτοκινήτων, ημιφορτηγών) σε σχέση με το ήδη υπάρχον και κατά δεύτερον, μπορεί να δεχθεί αρκετές παραλλαγές ούτως ώστε να είναι κατάλληλο για δοκιμές εμπρόσθιων και οπίσθιων σουστόφυλλων, διαφόρων μεγεθών και μηχανισμών έδρασης ούτως ώστε ο βαθμός προσομοίωσης να πλησιάζει τις πραγματικές συνθήκες σε αρκετά μεγάλο ποσοστό. Τέλος, το δοκιμαστήριο αυτό θα μπορέσει να λειτουργήσει βοηθητικά ως προς το ήδη υπάρχον, επιταχύνοντας τη διαδικασία των δοκιμών και βελτιώνοντας συνολικά την αποδοτικότητα του εργαστηρίου. Προσεγγίζοντας κανείς το ζήτημα της σχεδίασης και μελέτης ενός τέτοιου δοκιμαστηρίου, οφείλει να λάβει σοβαρά υπόψη τις απαιτήσεις, αλλά και τους περιορισμούς που τίθενται από την αρχή. Ο σοβαρότερος από αυτούς, είναι η γκάμα των σουστών τις οποίες καλείται να καλύψει η κατασκευή. Η ποικιλία αυτών, είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη μέγιστη δύναμη που θα ασκείται στο δοκίμιο. Για την παρούσα εργασία, η μελέτη έγινε με βάση μία Fz s = kp (static) και Fz d = kp (dynamic). Για τέτοια μεγέθη δυνάμεων, οι σούστες που μπορούν να δοκιμαστούν σε κόπωση είναι κατά βάση μονόφυλλες. Αυτές καλύπτουν μία ευρεία γκάμα εφαρμογών ξεκινώντας από βαρέα οχήματα (φορτηγά, εκσκαφείς) και καταλήγοντας σε ελαφρά φορτηγά και ημιφορτηγά. Για τα τελευταία μάλιστα, δίνεται η δυνατότητα δοκιμής δίφυλλων σουστών, ακόμα και πολύφυλλων (ημιφορτηγά kg). Καθώς ο κύριος όγκος δοκιμών της διάταξης αφορά μονόφυλλες σούστες, πρέπει να μπορεί να καλυφθεί όλη η ποικιλία των μεγεθών τους αλλά και των ειδών τους. Η παρούσα διάταξη καλύπτει λοιπόν δοκιμές για σούστες μέχρι 2m (που είναι και το μέγιστο μήκος ) ενώ μέσω ειδικών διατάξεων που θα εξηγηθούν παρακάτω, δοκιμάζονται τόσο οπίσθιες όσο και εμπρόσθιες σούστες. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο ζήτημα των εδράσεων των σουστών καθώς βασική απαίτηση του εργαστηρίου, ήταν η επίτευξη δοκιμών, όσο το δυνατόν πλησιέστερων στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος θεωρήθηκε απαραίτητο να υπάρχει μία έδραση τύπου διωστήρα. Αυτός ο τρόπος έδρασης, αφορά κυρίως τον τρόπο σύνδεσης των εμπρόσθιων σουστών. Το ένα άκρο (μάτι) πιάνεται σταθερά σε ένα σημείο ενώ το άλλο πραγματοποιεί επίπεδη κίνηση στο χώρο. Σελίδα 9 από 74

16 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος Κατασκευαστικά στοιχεία δοκιμαστηρίου. Ο βασικός τρόπος λειτουργίας του δοκιμαστηρίου έχει ως εξής. Μία μηχανική διάταξη δημιουργεί μία δύναμη, η οποία πρέπει να μεταφέρεται στο μέσο της σούστας και να είναι κάθετη σε αυτή. Η διάταξη αυτή θα πρέπει να στηρίζεται με τέτοιο τρόπο ούτως ώστε να μπορεί να μεταφέρει τη δύναμη, αλλά και να έχει τη δυνατότητα κινήσεων στο χώρο. Κάτι τέτοιο κρίνεται απαραίτητο καθώς η σούστα με έδραση διωστήρα κάνει επίπεδη κίνηση και η δύναμη που δέχεται πρέπει να είναι πάντα κάθετη σε αυτήν (οπότε η διάταξη που δημιουργεί τη δύναμη οφείλει να την «ακολουθεί» στη κίνησή της ). Ακόμη, πρέπει να υπάρχει κατάλληλη κατασκευή μέσω της οποίας μεταφέρεται η δύναμη από τη διάταξη στη σούστα. Τέλος, το βασικό σύστημα (φορέας πάκτωσης διάταξης-διάταξη-στοιχείο πρόσδεσης-σουστόφυλλο) πρέπει να πλαισιώνεται από ένα σκελετό που θα είναι και η βάση του δοκιμαστηρίου. Διάταξη δημιουργίας και μεταφορά της κύριας δύναμης. Μία τέτοια διάταξη, θα πρέπει να δημιουργεί μία ημιτονοειδή κυματοειδή φόρτιση η οποία να μεταφέρεται στο σουστόφυλλο. Α) μηχανική πρέσσα : Μία πρώτη προσέγγιση μπορεί να γίνει μέσω ενός μηχανισμού διωστήρα (μηχανική πρέσσα), παρόμοιου με αυτόν που λειτουργούν τα πιστόνια μέσα στον κύλινδρο ενός κινητήρας εσωτερικής καύσεως. Η πρέσσα «παίρνει» κίνηση από έναν ηλεκτροκινητήρα. Προτιμάται έναντι του κινητήρα Ε.Κ διότι έχει εμφανώς σταθερότερη λειτουργία, κάτι το οποίο κρίνεται απαραίτητο, λόγω της περιοδικότητας της εφαρμοζόμενης δύναμης. Σκαρίφημα της εν λόγω λύσης παρατίθεται παρακάτω. Σελίδα 10 από 74

17 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Εικόνα 5 σκαρίφημα διάταξης μεταφοράς δύναμης μέσω μηχανικής πρέσσας. Η λύση της μηχανικής πρέσσας, αν και οικονομικότερη εμφανίζει ένα βασικό πρόβλημα, την αδυναμία ορισμού και ελέγχου της εφαρμοζόμενης δύναμης. Το στέλεχος που εφαρμόζει τη δύναμη μπορεί να ελεγχθεί μόνο ως προς τη συχνότητα περιοδικότητα αυτής και της διαδρομής που εκτελεί. Εφόσον λοιπόν δεν υπάρχει σαφής τρόπος για να οριστεί η δύναμη που θα ασκείται στο σουστόφυλλο, μία τέτοια λύση δεν μπορεί και να καλύψει τις ανάγκες του δοκιμαστηρίου. Β) πνευματικό έμβολο: η λύση του πνευματικού εμβόλου μπορεί να είναι ιδιαίτερα ακριβής ως προς την εφαρμοζόμενη δύναμη, αλλά αδυνατεί να ασκήσει δυνάμεις της τάξης των kp οπότε και απορρίπτεται.. Γ)υδραυλικό έμβολο : Σε δεύτερο επίπεδο, εξετάζεται μία πιο πεπατημένη μέθοδος για δοκιμαστικές διατάξεις, αυτή του υδραυλικού εμβόλου. Η υδραυλική αντλία, σπρώχνει με πίεση το λάδι το οποίο, βρίσκοντας αντίσταση στο έμβολο και μέσω της παλινδρομικής κίνησης αυτού, δημιουργεί την απαραίτητη κάθετη δύναμη. Η διάταξη αυτή, ελεγχόμενη ηλεκτρονικά, πετυχαίνει απόλυτη ακρίβεια στην μεταφορά της δύναμης και καταλαμβάνει πολύ λιγότερο όγκο από την προηγούμενη όντας πιο ευέλικτη όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο θα στερεωθεί. Ακόμη, είναι αρκετά πιο αξιόπιστη έχοντας λιγότερα κινούμενα μέρη, και τελικά, κρίνεται κατάλληλη για το συγκεκριμένο δοκιμαστήριο. Σκαρίφημα της διάταξης του εμβόλου παρατίθεται στην παρακάτω εικόνα. Σελίδα 11 από 74

18 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 6 σκαρίφημα δοκιμαστικής διάταξης με υδραυλικό έμβολο Υδραυλικό έμβολο Το έμβολο που επιλέχθηκε είναι της SCHENCK με μέγιστη δύναμη kp και διαδρομή 250 mm (+125 mm, -125 mm). Έχει επίσης προσαρμοσμένο στο εσωτερικό του αισθητή θέσης (LVDT) για να μπορεί ανά πάσα στιγμή να προσδιορίζεται η θέση και η μετατόπιση του εμβόλου. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 7, στο τέλος του εμβόλου έχει προσαρμοσθεί μία προέκταση η οποία βιδώνει μέσω σπειρώματος το οποίο προϋπάρχει εσωτερικά στο έμβολο. Με αυτήν την προσθήκη, δίνεται μια αρκετά εύκολη και πρακτική δυνατότητα σε αυτό να μπορεί να προσαρμοστεί σε διάφορα μεγέθη (διαφορετικό μήκος και καμπυλότητα) σουστόφυλλων, χωρίς να είναι απαραίτητη η αυξομείωση του ύψους όλης της διάταξης. Η προέκταση έχει ενεργό μήκος 180 mm και η ρύθμιση της γίνεται ταυτόχρονα με την αρχική ρύθμιση σης θέσης του εμβόλου από τον ηλεκτρονικό πίνακα ελέγχου του. Σελίδα 12 από 74

19 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Εικόνα 7 υδραυλικό έμβολο Τρόποι έδρασης του εμβόλου Καταλήγοντας στη λύση του υδραυλικού εμβόλου, πρέπει να δοθεί μία λειτουργική λύση για τον τρόπο με τον οποίο θα εδραστεί το έμβολο και την τελική θέση αυτού. Όπως προαναφέρθηκε, εφόσον η σούστα εδραζόμενη με μηχανισμό διωστήρα πραγματοποιεί επίπεδη κίνηση, θα πρέπει η έδραση του εμβόλου να δημιουργεί τους κατάλληλους βαθμούς ελευθερίας. Κάτι τέτοιο κρίνεται απαραίτητο, καθώς το έμβολο απαγορεύεται να δεχτεί οποιαδήποτε άλλη δύναμη πέρα από αξονική. Οπότε και θα πρέπει να ακολουθεί την κίνηση του εμβόλου ούτως ώστε να μεταφέρει κατάλληλα και την φόρτιση σε αυτό. Α) Πάκτωση του εμβόλου Υπ αυτήν την έννοια, η πάκτωση του εμβόλου μέσω φλάντζας σε σταθερό σημείο του σκελετού απορρίπτεται, καθώς δεν επιτρέπει καμία κίνηση του εμβόλου. Μία τέτοια λύση θα μπορούσε να είναι Σελίδα 13 από 74

20 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 αποδεκτή, σε περίπτωση δοκιμής μόνο οπίσθιων σουστόφυλλων τα οποία εδράζονται κινητά και στα 2 άκρα τους, οπότε και μία κάθετη δύναμη προκαλεί μόνο βύθιση και όχι μετατόπιση του κέντρου τους. Β) Απλή άρθρωση εμβόλου Με την έδραση του εμβόλου μέσω άρθρωσης, επιτυγχάνεται η δυνατότητα περιστροφής του αλλά και πάλι το έμβολο δεν μπορεί να εκτελέσει επίπεδη κίνηση. Γι αυτό το λόγο, πρέπει να δοθεί σαν γενική κατεύθυνση η λύση της διπλής άρθρωσης. Με αυτόν τον τρόπο το έμβολο αποκτά άλλον έναν βαθμό ελευθερίας που του επιτρέπει να κινείται στο επίπεδο. Παρακάτω παρατίθεται σκαρίφημα για καλύτερη κατανόηση. Εικόνα 8 σκαρίφημα διπλής άρθρωσης εμβόλου Όπως φαίνεται και από το άνω σκαρίφημα, η θέση της δεύτερης άρθρωσης δημιουργεί ένα μηχανισμό ο οποίος μπορεί να παραλάβει μόνο αξονικά φορτία που είναι και το ζητούμενο. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην σύνδεση εμβόλου και σούστας, η οποία και είναι πακτωμένη όπως δείχνει το σκαρίφημα. Η πάκτωση (που επιτυγχάνεται μέσω κοχλιοσύνδεσης όπως φαίνεται στην επόμενη ενότητα) είναι απαραίτητη, ειδάλλως η δύναμη δε θα μπορούσε να μεταφερθεί. Διευκρινίζεται, ότι τα όσα γράφονται αφορούν την περίπτωση μηχανισμού διωστήρα σε εμπρόσθιες σούστες. Για περιπτώσεις κινητής-κινητής έδρασης, οι αρθρώσεις κλειδώνουν και η σύνδεση εμβόλου σούστας επιτυγχάνεται με μία απλή σύνδεση μορφής. Αν οι αρθρώσεις δεν κλείδωναν, το σύστημα έμβολο - σούστα θα ήταν τελείως ελεύθερο να κινηθεί στον άξονα x-z, αδυνατώντας να προβάλλει αντίσταση ώστε να μεταφερθεί η δύναμη. Σελίδα 14 από 74

21 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Γ) Σφαιρική άρθρωση εμβόλου Η λύση που επιλέγεται τελικά είναι αυτή της διπλής σφαιρικής άρθρωσης. Αυτό αφορά την πρακτική εφαρμογή στο δοκιμαστήριο, καθώς το σύστημα έμβολο-ζεύγος αρθρώσεων-σούστα είναι πρακτικά αδύνατο να καταλήξει στην ιδανική θέση (στην οποία προφανώς δεν υπάρχει καμία μετατόπιση ως προς τον άξονα y). Μέσω των σφαιρικών αρθρώσεων, σβήνεται οποιαδήποτε πρόσθετη δύναμη ασκηθεί στο έμβολο λόγω τέτοιων μετατοπίσεων και προστατεύεται με τον καλύτερο τρόπο το έμβολο. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι σφαιρικές αρθρώσεις αποτελούν ολόκληρη κατηγορία, και αποτελούνται από διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν όχι επίπεδη αλλά χωρική κίνηση στα εξαρτήματα που συνδέουν. Παρακάτω παρατίθενται διαφορετικά είδη σφαιρικών αρθρώσεων. Εικόνα 9 άρθρωση rod end Εικόνα 10 σφαιρικές αρθρώσεις-ball joints Όπως φαίνεται από τις εικόνες 9 και 10, οι σφαιρικές αρθρώσεις αποτελούνται από διάφορες διατάξεις οι οποίες κινηματικά, επιτελούν την ίδια λειτουργία. Παρόλα αυτά τα ball joints είναι αρκετά ακριβότερα και για την συγκεκριμένη κατασκευή, οι αρθρώσεις με rod end κρίθηκαν καταλληλότερες. Στην παρακάτω εικόνα παρατίθενται οι τελικές κατασκευαστικές λύσεις που δόθηκαν στο ζήτημα των εδράσεων του εμβόλου. Σελίδα 15 από 74

22 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 11 τελική κατασκευαστική λύση στην έδραση του εμβόλου Όπως γίνεται εμφανές και από την εικόνα 11, η 1 η άρθρωση καταλήγει μέσω φλάντζας σε ένα σταθερό σημείο (πχ. σταθερή δοκός σκελετού), ενώ η 2 η συνδέεται μέσω άλλης φλάντζας στο μέσο σύνδεσης με το σουστόφυλλο. Στο αριστερό μέρος της εικόνας οι αρθρώσεις είναι ελεύθερες, με αποτέλεσμα η διάταξη να μπορεί να κινηθεί προς όλους τους άξονες. Αυτή η περίπτωση αφορά στην έδραση με μηχανισμό διωστήρα όπου η συγκεκριμένη κινηματική είναι απαραίτητη. Πιο συγκεκριμένα, η σούστα (μπροστινή με κεκαμμένα άκρα), εδράζεται σε ένα σταθερό σημείο από τη μία πλευρά και στο διωστήρα από την άλλη. Με αυτόν τον τρόπο όταν πιέζεται, το κέντρο της μετατοπίζεται ως προς τον άξονα y λόγω της δύναμης, αλλά και ως προς τον z λόγω της κινηματικής του διωστήρα. Για να μπορεί το σύστημα έμβολο-σούστα να δέχεται δυνάμεις μόνο στον άξονα y (ούτως ώστε να προστατεύεται το έμβολο από δυνάμεις σε άλλες διευθύνσεις, αλλά και για τα ακριβέστερα αποτελέσματα των πειραμάτων) πρέπει οι αρθρώσεις να είναι ελεύθερες ώστε το σύστημα να κινείται σαν ενιαίο σώμα. Από την άλλη, στην περίπτωση οπίσθιου σουστόφυλλου ή εμπρόσθιου που συνδέεται με κινητή-κινητή έδραση, το κέντρο του σουστόφυλλου μετατοπίζεται μόνο ως προς τον άξονα x οπότε και το έμβολο πρέπει να είναι πακτωμένο. Για να μην χρειάζεται κάθε φορά η αφαίρεση όλου του μηχανισμού της κάθε άρθρωσης, προτείνεται η λύση κλειδώματος αυτών μέσω ενός συστήματος ζεύγους λαμών και πείρων. Ανοίγεται μία οπή στην κάθε φλάντζα και μία στον μηχανισμό της κάθε άρθρωσης. Στη συνέχεια τοποθετούνται 2 λάμες όπως φαίνονται στην εικόνα και ασφαλίζουν μέσω 2 πείρων. Με αυτόν τον αρκετά απλό και οικονομικό τρόπο, η διάταξη έμβολο-αρθρώσεις τοποθετείται μόνιμα κατά την κατασκευή του Σελίδα 16 από 74

23 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση δοκιμαστηρίου, χωρίς να γίνονται ιδιαίτερες παρεμβάσεις σε αυτήν λόγω διαφοράς της εκάστοτε δοκιμής κατά τη λειτουργία του. Η δυναμοκυψέλη (loadcell) τέλος, είναι τοποθετημένη κατευθείαν πάνω στην προέκταση του εμβόλου. Με αυτόν τον τρόπο, κρατιέται το loadcell αρκετά κοντά στην σούστα με αποτέλεσμα να προστατεύεται από αυτήν, όταν η τελευταία σπάει. Αρκεί να σκεφτεί κανείς την κίνηση της σούστας τη στιγμή που αστοχεί, η οποία τείνει να απομακρυνθεί από όλη την κατασκευή. Οπότε και τα πιο απομακρυσμένα από τη σούστα κομμάτια διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο σύγκρουσης με αυτήν. Θέσεις έδρασης του εμβόλου Οι βασικές κατασκευαστικές λύσεις που μπορούν να δοθούν είναι δύο. Α) Έμβολο εδρασμένο κάτω από το σουστόφυλλο. Με αυτόν τον τρόπο το έμβολο στην ουσία έλκει το μέσο της σούστας προς τα κάτω. Στηρίζεται μέσω της άρθρωσης σε ένα σταθερό σημείο στη βάση του σκελετού και βρίσκεται στη φυσική του κατακόρυφη θέση. Αποφεύγεται έτσι σε όσο γίνεται μεγαλύτερο βαθμό η διαρροή λαδιού από αυτό. Κάτι τέτοιο, αν και προβλέπεται στεγανοποίηση, είναι ένα σύνηθες φαινόμενο στα υδραυλικά έμβολα καθώς λόγω τριβής στη λειτουργία οι τσιμούχες φθείρονται αρκετά. Βασικό μειονέκτημα αυτής της θέσης του εμβόλου είναι το μεγάλο ύψος της όλης κατασκευής, αλλά κυρίως το ύψος στο οποίο βρίσκεται το σουστόφυλλο. Λόγω αυτού, οι αλλαγές των δοκιμίων είναι αρκετά δυσκολότερες αν αναλογιστεί κανείς και το αυξημένο βάρος των σουστών, αλλά και των υπόλοιπων διατάξεων πρόσδεσης αυτών με το έμβολο. Β) Έμβολο εδρασμένο πάνω από το σουστόφυλλο. Με αυτή τη λύση, τα βασικά μηχανικά μέρη περνούν πάνω από τη σούστα, με αποτέλεσμα αυτή να είναι πολύ χαμηλότερα και να είναι πολύ πρακτικότερη η αλλαγή της με το πέρας της δοκιμής. Το μόνο αρνητικό σε αυτή τη διάταξη είναι η ανάποδη θέση του εμβόλου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η διαρροή του λαδιού να καταλήγει πάνω στο σουστόφυλλο κάτι το οποίο μπορεί να λυθεί εύκολα μέσω μίας ελαιολεκάνης. Λόγω της βαρύτητας μαζεύεται το λάδι το οποίο μέσω αντλίας μπορεί να επιστραφεί στο έμβολο. Για καλύτερη κατανόηση παρατίθεται το παρακάτω σκαρίφημα. Σελίδα 17 από 74

24 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 12 σκαρίφημα των 2 διαφορετικών κατασκευαστικών λύσεων Όπως φαίνεται ακόμα και από το σκαρίφημα, η υψομετρική διαφορά της θέσης της σούστας είναι αρκετά μεγάλη στις δύο περιπτώσεις. Η μοναδική λύση στην πρώτη περίπτωση είναι το έμβολο να κρέμεται ουσιαστικά από την τράπεζα και όχι να εδράζεται πάνω σε αυτήν. Αυτή η λύση όμως ανεβάζει το κόστος αρκετά καθώς προϋποθέτει ότι η τράπεζα θα πρέπει να τρυπηθεί. Σε συνδυασμό και με τις δυνατότητες που δίνονται για το σκελετό, η λύση της από πάνω τοποθέτησης του εμβόλου κρίνεται συνολικά καλύτερη Σκελετός δοκιμαστηρίου Όσον αφορά το σκελετό, η θέση έδρασης του εμβόλου χωρίς να είναι καθοριστική, παίζει ρόλο στην τελική πρόταση που θα ακολουθηθεί για την κατασκευή αυτού. Έχοντας λήξει ότι το έμβολο εδράζεται πάνω από τη σούστα θα πρέπει η φλάντζα της άρθρωσης να καταλήγει σε ένα σταθερό σημείο. Ακόμη θα πρέπει και οι εδράσεις του σουστόφυλλου να καταλήγουν σε σταθερό επίπεδο ούτως ώστε να δημιουργούνται οι απαραίτητες αντιδράσεις για να μπορεί η αρχική εξωτερική F να εφαρμοστεί πάνω στη σούστα. Ένας τελευταίος περιορισμός, προέρχεται από την κινηματική του εμβόλου. Το τελευταίο θα πρέπει να εδραστεί (κρεμαστεί στην ουσία) από τη βάση του, καθώς στερεώνοντας το από το ανώτερο σημείο του δε μπορεί να λειτουργήσει μηχανισμός ο οποίος αναλύθηκε και παρουσιάστηκε στην εικόνα 8 κάτι το οποίο φαίνεται και από την εικόνα 13. Σελίδα 18 από 74

25 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Εικόνα 13 λάθος έδραση του εμβόλου. Όπως γίνεται εμφανές από την εικόνα 13, σε πιθανή αλλαγή θέσης του κέντρου της σούστας, το έμβολο όντας ακίνητο, θα παραλάβει μία εγκάρσια δύναμη οπότε αυτή η λύση απορρίπτεται. Ακόμα και αν υπάρξει η 2 η άρθρωση στο ανώτερο σημείο του εμβόλου (οπότε και ο μηχανισμός των αρθρώσεων λειτουργεί σβήνοντας έτσι τις εγκάρσιες δυνάμεις ), η έδραση του εμβόλου με τέτοιο τρόπο προϋποθέτει ότι υπάρχει στην άνω οριζόντια δοκό, αυλάκι ικανό να χωρέσει το έμβολο αλλά και τον χώρο που χρειάζεται καθώς περιστρέφεται. Κάτι τέτοιο είναι ιδιαίτερα δαπανηρό αν αναλογιστεί κανείς τα ιδιαίτερα αυξημένα πάχη των κατασκευαστικών στοιχείων ενός σκελετού ο οποίος παραλαμβάνει μέγιστη δύναμη kp. Το ζήτημα των κατεργασιών που θα δεχθούν τα κατασκευαστικά στοιχεία του σκελετού λήφθηκε σοβαρά υπόψη κατά την εκπόνηση της σχεδιομελέτης. Τα στοιχεία αυτά πρέπει να είναι ικανά να παραλάβουν τις ασκούμενες φορτίσεις, διατηρώντας τα επίπεδα των εσωτερικών τους τάσεων αρκετά χαμηλά. Ο υψηλός συντελεστής ασφαλείας του σκελετού είναι απαραίτητος καθώς αυτός αποτελεί τη ραχοκοκαλιά όλης της διάταξης και δεν προβλέπεται τακτική συντήρησή του. Παράλληλα πρέπει η κατασκευή να είναι όσο γίνεται ελαφρύτερη κυρίαρχα για οικονομικούς λόγους και δευτερευόντως για πρακτικούς (πχ. πιθανή αλλαγή θέσης στο δοκιμαστήριο). Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω περιορισμούς, επιλέχθηκε η κατασκευή του σκελετού από μεταλλικές τετραγωνικές δοκούς και δοκούς Η. Η λύση αυτή εμφανίζει αρκετά μεγάλη αντοχή, απλότητα στην κατασκευή και συναρμολόγηση (όπως φαίνεται στην εικόνα 14 ), είναι οικονομική και επιτρέπει δυνατότητα περαιτέρω προσαρμογών στο σκελετό οπότε και στο δοκιμαστήριο συνολικότερα. Σελίδα 19 από 74

26 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 14 σκελετός δοκιμαστηρίου Οι κάθετες με τις οριζόντιες δοκούς συνδέονται μέσω κοχλιοσυνδέσεων όπως δείχνει και η εικόνα 14. Για να υπάρξει η κατάλληλη επιφάνεια σύνδεσης, στα άκρα των κάθετων δοκών, έχουν συγκολληθεί τετράγωνες πατούρες. Τα πόδια του σκελετού, είναι επίσης δοκοί Η κομμένες, ούτως ώστε να δημιουργούν γωνία 60 0 με το έδαφος. Δεν συνδέονται μέσω κοχλιοσυνδέσεων με τις κάθετες δοκούς, καθώς η λύση της απευθείας συγκόλλησης κρίθηκε πιο απλή και οικονομικότερη. Τέλος, όπως φαίνεται και από την εικόνα 15, η σχεδίαση του σκελετού επιτρέπει τη δημιουργία ενός κλειστού συστήματος δυνάμεων δράσης αντίδρασης στο ορθογώνιο κομμάτι του σκελετού. Με τον τρόπο αυτό, τα πόδια καταπονούνται μόνο από το βάρος της κατασκευής καθώς η εφαρμοζόμενη δύναμη δεν καταλήγει σε αυτά. Αποφεύγεται με αυτόν τον τρόπο η μεταφορά της ημιτονοειδούς φόρτισης στο έδαφος, κάτι το οποίο θα μπορούσε να έχει καταστροφικά αποτελέσματα. Επίσης αποφεύγεται σε ένα δεύτερο επίπεδο η καταπόνηση των δοκών των ποδιών, αλλά και των συγκολλήσεών τους. Σελίδα 20 από 74

27 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση ` Εικόνα 15 ροή δύναμης στο σκελετό Εδράσεις των σουστόφυλλων Οπίσθιες σούστες. Τα οπίσθια σουστόφυλλα είναι εδρασμένα ελεύθερα με μία διάταξη κύλισης-κύλισης μέσω 2 πείρων. Τα άκρα της σούστας κυλίονται στους πείρους που φαίνονται στην εικόνα 16. Για να μην υπάρχουν τριβές, πρέπει να αποφευχθεί η ολίσθηση μεταξύ σούστας και πείρου οπότε και οι δεύτεροι εδράζονται πάνω σε ρουλεμάν. Η δύναμη τριβής, εκτός από μία αυξημένη φθορά, επιβάλλει και μία μικρή σχετικά, αλλά ανεπιθύμητη φόρτιση στην σούστα. Όπως γίνεται κατανοητό και από τις εικόνες των συναρμολογημένων διατάξεων στο επόμενο κεφάλαιο, η έδραση των πείρων είναι πλωτή, καθώς δεν δέχονται αξονικές δυνάμεις. Σελίδα 21 από 74

28 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 16 κατασκευαστικά στοιχεία πειροφόρου Στην εικόνα 17 φαίνεται ολοκληρωμένα ο τρόπος έδρασης της πίσω σούστας. Οι συγκεκριμένοι πείροι έχουν μέγιστο πλάτος 102 mm, έτσι ώστε να εφαρμόζει με τον καλύτερο τρόπο σούστα με πλάτος 100mm που είναι και το μεγαλύτερο. Για μικρότερα σουστόφυλλα μπορούν να υπάρξουν κατάλληλοι δακτύλιοι σύσφιξης πάνω στον πείρο, ώστε να εξασφαλίζεται άριστη εφαρμογή πάνω στους πείρους. Σελίδα 22 από 74

29 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Εικόνα 17 έδραση πίσω σουστόφυλλου Η πληθώρα οπών στη δοκό στήριξης επιτρέπει την διαφορετική θέση των πειροφόρων ανάλογα με το μήκος του σουστόφυλλου. Οι οπές έχουν απόσταση μεταξύ τους 50 mm ούτως ώστε η συνολική αυξομείωση της απόστασης των εδράσεων να γίνεται με βήμα 100 mm. Η δοκός στήριξης είναι ενιαία για τις 3 βασικές παραλλαγές δοκιμών του εργαστηρίου. Αυτό εξηγεί και τη διαφορά των οπών αριστερά και δεξιά καθώς η συμμετρία ως προς το κέντρο της σούστας αφορά μόνο τις οπίσθιες σούστες και όχι το μηχανισμό του διωστήρα οπότε και χρειάζονται περαιτέρω ανοίγματα στη δοκό σε άλλες θέσεις. Όσον αφορά τις κάτω οπές, υπάρχουν αντίστοιχες στην κάτω τετραγωνική δοκό του δοκιμαστηρίου ούτως ώστε μέσω κοχλιοσύνδεσης να συνδεθεί σταθερά η δοκός στήριξης με το σκελετό του δοκιμαστηρίου. Εμπρόσθιες σούστες. Στα εμπρόσθια σουστόφυλλα, υπάρχει η δυνατότητα 2 ειδών εδράσεων. Σελίδα 23 από 74

30 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Α) Έδραση μηχανισμού διωστήρα Ο συγκεκριμένος τύπος έδρασης αποτελεί και την ειδοποιό διαφορά του δοκιμαστηρίου έναντι του ήδη υπάρχοντος, καθώς επιτρέπει όπως προαναφέρθηκε, την όσο το δυνατόν ακριβέστερη εξομοίωση καταπόνησης εμπρόσθιας σούστας ή και οπίσθιας αν αυτός είναι ο άξονας που μεταδίδει την κίνηση. Οι σούστες ενός άξονα που μελετώνται, καταλήγουν σε δύο μάτια, έχουν δηλαδή κεκαμένα άκρα, που σχηματίζουν ένα τμήμα κοίλου κυλίνδρου. Η φιλοσοφία της έδρασης με διωστήρα έχει ως εξής. Το ένα άκρο της σούστας θα πρέπει να εδραστεί με τρόπο τέτοιο που να πραγματοποιεί περιστροφική κίνηση, ενώ το δεύτερο θα πραγματοποιεί μία κίνηση επίπεδη (περιστροφή+μεταφορά). Με τον τρόπο αυτό η σούστα μπορεί να κινείται στο επίπεδο x-z κάτι το οποίο συμβαίνει και σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Όσον αφορά το καθαρά περιστρεφόμενο άκρο, η στήριξη θα είναι ίδια με αυτήν της πίσω σούστας μέσω του πειροφόρου. Η διαφορά έγκειται στη σύνδεση σούστας- έδρασης που πλέον δεν είναι τριβής αλλά μορφής λόγω της κατασκευαστικής ιδιαιτερότητας των εμπρόσθιων σουστόφυλλων. Το άκρο το οποίο εκτελεί την επίπεδη κίνηση, εδράζεται σε έναν πειροφόρο ο οποίος μέσω προέκτασης (με 2 λάμες) επιτυγχάνει τον 2 ο βαθμό ελευθερίας όπως φαίνεται στην εικόνα. Εικόνα 18 έδραση εμπρόσθιου σουστόφυλλου μέσω μηχανισμού διωστήρα Σελίδα 24 από 74

31 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Όπως φαίνεται αναλυτικά στην εικόνα 19, η έδραση του διωστήρα αποτελείται από 2 λάμες, οι οποίες, εδρασμένες πάνω σε 2 ρουλεμάν, δημιουργούν το μοχλικό που επιτρέπει στη σούστα να περιστρέφεται ως προς συνεχώς μεταβαλλόμενο άξονα περιστροφής. Ο πάνω πείρος δεν χρειάζεται ρουλεμάν καθώς εκτιμάται ότι οι τριβές είναι αρκετά μικρές για να καταπονήσουν το σύστημα έδραση-σούστα ή να επηρεάσουν τις δοκιμές. Για να είναι το δοκιμαστήριο πλήρως παραμετροποιημένο, προτείνεται η λύση ένθετων δίσκων και κυλίνδρων για να αντιμετωπιστούν προβλήματα με σούστες μικρότερου ή μεγαλύτερου μεγέθους (πλάτους και διαμέτρου κεκαμένων άκρων) από τη συγκεκριμένη. Εικόνα 19 έδραση μηχανισμού διωστήρα Β) Έδραση κύλισης-κύλισης Ο 2 ος τύπος έδρασης είναι παρόμοιος σε φιλοσοφία με την ελεύθερη έδραση της πίσω σούστας, λόγω όμως των κεκαμένων άκρων της εμπρόσθιας ο σταθερός πειροφόρος απορρίπτεται. Η λύση που προτείνεται είναι στην ουσία ένας πείρος, εδρασμένος πάνω σε 2 ρουλεμάν τα οποία μέσω εξωτερικού κινούμενου κελύφους θα λειτουργούν σαν τροχοί. Σελίδα 25 από 74

32 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 20 κινητή έδραση εμπρόσθιου σουστόφυλλου Οι οδηγοί που φαίνονται στην εικόνα 20, διασφαλίζουν την κίνηση της σούστας μόνο στον άξονα x, καθώς το έμβολο σε αυτή τη δοκιμή είναι πακτωμένο πάνω στο σκελετό με αποτέλεσμα να δεχτεί εγκάρσια δύναμη σε πιθανή μετατόπιση της σούστας στον άξονα y. Για να καλυφθούν οι διάφορες διάμετροι των ματιών και τα πλάτη των σουστόφυλλων, προτείνεται η εισαγωγή ένθετων κυλίνδρων και δακτυλίων σύσφιξης στην έδραση. Παραλλαγές ως προς τις κινητές εδράσεις και τον πειροφόρο Η πληθώρα των μεγεθών στις σούστες μπορεί να αντιμετωπιστεί και με μία διαφορετική προσέγγιση στις εδράσεις η οποία θα αφορά στον τρόπο σύνδεσης της σούστας με αυτές. Σελίδα 26 από 74

33 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση Εικόνα 21 παραλλαγές κινητών εδράσεων Η βασική φιλοσοφία αυτής της παραλλαγής, έγκειται στο ότι η στερέωση των ματιών της σούστας δεν επιτυγχάνεται μέσω σύνδεσης μορφής αλλά μέσω μίας κωνικότητας κατάλληλα υπολογισμένης ούτως ώστε η σούστα να μην χάνει την επαφή της με τη βάση (σύνδεση τριβής). Στην πρώτη παραλλαγή, η σούστα ακουμπά κατευθείαν πάνω στη βάση με την εξωτερική επιφάνεια του ματιού της ενώ η άνω καμπυλότητα της έδρασης, διασφαλίζει ότι η σούστα ακόμα και αν ολισθήσει, δεν θα φύγει από τη θέση της. Με αυτόν τον τρόπο, ο πείρος παρακάμπτεται οπότε και οι περιορισμοί ανάλογα με το πλάτος και τη διάμετρο του ματιού της σούστας ξεπερνώνται μέσω κατάλληλου υπολογισμού της κωνικότητας της βάσης. Στη δεύτερη παραλλαγή, στο μάτι της σούστας υπάρχει ήδη ένας πείρος και η έδραση με την κωνική βάση γίνεται μέσω αυτού. Ακολουθούν εικόνες των 3 διαφορετικών παραλλαγών του δοκιμαστηρίου : Σελίδα 27 από 74

34 ΔΟΚΙΜΑΣΤΗΡΙΟ ΜΠΡΟΣΤΑ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΔΙΩΣΤΗΡΑ Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 22 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου με μηχανισμό διωστήρα Στην εικόνα 22 αξίζει να παρατηρήσει κανείς την κοχλιοσύνδεση μεταξύ της φλάντζας σύνδεσης με την πλάκα δεσίματος. Μέσω αυτής, επιτυγχάνεται το «κλείδωμα» μεταξύ εμβόλου και σούστας. Κάτι τέτοιο είναι αναγκαίο καθώς η μετατόπιση της σούστας( στους άξονες x και z) κατά τη διάρκεια των δοκιμών είναι τέτοια που η απλή σύνδεση μορφής της φλάντζας με την πλάκα δεν είναι αρκετή για τη μεταφορά της δύναμης. Σελίδα 28 από 74

35 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση ΔΟΚΙΜΑΣΤΉΡΙΟ ΜΠΡΟΣΤΑ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΗ ΕΔΡΑΣΗ Εικόνα 23 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου με κινητές εδράσεις Στην συγκεκριμένη δοκιμή, η σούστα είναι εδρασμένη πάνω σε δύο κυλίσεις ουσιαστικά, οπότε και είναι ελεύθερη να κινηθεί στον άξονα x. Οπότε και το έμβολο είναι κλειδωμένο μέσω των μεταλλικών λαμών όπως έχει αναφερθεί στην ενότητα Λόγω του κλειδώματος των αρθρώσεων, η κοχλιοσύνδεση εμβόλου σούστας αφαιρείται και αρκεί το απλό «πάτημα» του εμβόλου πάνω στην σούστα. Σελίδα 29 από 74

36 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 ΔΟΚΙΜΑΣΤΉΡΙΟ ΟΠΙΣΘΙΑΣ ΣΟΥΣΤΑΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΗ ΕΔΡΑΣΗ Εικόνα 24 τρισδιάστατη απεικόνιση δοκιμαστηρίου πίσω σούστας Οι παρατηρήσεις είναι όμοιες με τις εικόνας 23 εφόσον η κινηματική της πίσω σούστας είναι όμοια με την κινητή έδραση της εμπρόσθιας. Σελίδα 30 από 74

37 Κεφάλαιο 2 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξόνικη καταπόνηση 2.3 Ασφάλεια-Προστασία Η λειτουργία του δοκιμαστηρίου σε κανονικές συνθήκες, αν και φαίνεται σχετικά απλή, ενέχει αρκετούς κινδύνους τόσο για εξαρτήματα του δοκιμαστηρίου,όσο και για το εργατικό δυναμικό το οποίο το χειρίζεται ή βρίσκεται στον ίδιο χώρο. Πέρα από τους υπολογισμούς ελέγχου και μελέτης που έχουν γίνει σε καίρια κατασκευαστικά μέρη του δοκιμαστηρίου (παρουσιάζονται αναλυτικά παρακάτω), ελήφθησαν 2 βασικά μέτρα ασφαλείας. Προστασία εμβόλου Εικόνα 25 προστατευτικό εμβόλου Το προστατευτικό του εμβόλου, αν και φαινομενικά απλή κατασκευή, δρα καταλυτικά στην προστασία αυτού. Η θραύση της σούστας λόγω κόπωσης είναι ιδιαίτερα βίαιη και δεδομένης της ύπαρξης 2 αρθρώσεων στο έμβολο, οδηγεί σε μία ακαθόριστη κίνηση αυτού στο χώρο. Αν αυτή η κίνηση δεν περιοριστεί, τα αποτελέσματα θα είναι καταστρεπτικά για το έμβολο, καθώς μία κίνηση του στο χώρο μπορεί να οδηγήσει σε σύγκρουση του με το σκελετό. Σε αυτήν την κατεύθυνση συνεισφέρει η ύπαρξη του προστατευτικού το οποίο περιορίζει την περιστροφή σε κλίση περίπου 20 μοίρες. Το εξωτερικό περίβλημα αποτελείται από χάλυβα st 37 πάχους 15mm,ενώ εσωτερικά λειτουργεί ως αποσβεστήρας των συγκρούσεων μέσω επικάλυψης από παχύ στρώμα καουτσούκ. Σελίδα 31 από 74

38 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Το προστατευτικό, σταθεροποιείται μέσω κοχλιοσυνδέσεων στις κάθετες δοκούς του σκελετού. Οκτώβριος 2011 Προστατευτικό κλουβί Εικόνα 26 προστατευτικό κλουβί Στην εικόνα 26 φαίνεται το ένα από τα δύο προστατευτικά κλουβιά όλης της διάταξης. Αυτό έχει ως κύριο στόχο την προστασία των εργαζομένων, από την βίαιη θραύση και εκσφενδόνιση της σπασμένης σούστας, αλλά και διαφόρων θραυσμάτων στο χώρο. Τα κλουβιά είναι φτιαγμένα από γωνιές και ελάσματα και επενδυμένα με χοντρή ατσάλινη σήτα. Για λόγους πρακτικότητας, είναι ανακλινόμενα με τη βοήθεια ενός μεντεσέ. Κατά την εφαρμογή τους ασφαλίζουν στα λαμάκια, ένα από τα οποία φαίνεται στην εικόνα, τα οποία είναι σταθερά βιδωμένα πάνω στην οριζόντια δοκό στήριξης. Σελίδα 32 από 74

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Για τη μελέτη λήφθηκε υπόψη ότι η μέγιστη δύναμη του εμβόλου είναι Fmax= kp. Η φόρτιση θεωρείται κυματοειδής ημιτονοειδής. Εκτιμάται τέλος ότι η μέγιστη κλίση των σουστόφυλλων στους πείρους είναι Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση του διωστήρα,όπου υπολογίζεται μία κλίση της τάξης των Τα βάρη των στοιχείων του δοκιμαστηρίου δεν λαμβάνονται υπόψη στους υπολογισμούς. Οι υπολογισμοί που έγιναν και παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω είναι οι εξής: - Διαγράμματα M, N, Q, μέγιστες καμπτικές τάσεις και βυθίσεις των δοκών του σκελετού, και της δοκού στήριξης των βάσεων. - Κοχλιοσυνδέσεις δοκών σκελετού - Κοχλιοσύνδεση δοκού στήριξης - Υπολογισμός αντοχής σε λυγισμό της προέκτασης του εμβόλου - Υπολογισμός των εδράνων κύλισης. 3.1 Υπολογισμός δοκών σκελετού Πάνω τετραγωνική δοκός σκελετού Η πάνω δοκός του σκελετού θεωρείται ότι είναι πακτωμένη με τις κάθετες δοκούς. Κάτι τέτοιο ουσιαστικά δεν ισχύει, καθώς η ελαστικότητα όλης της κατασκευής επιτρέπει μικρομετατοπίσεις στις κοχλιοσυνδέσεις. Παρόλα αυτά θεωρώντας τα άκρα ως σταθερά σημεία (και όχι ολόκληρες περιοχές κοχλιοσυνδέσεων λαμβάνοντας υπόψη και την ελαστικότητα) υπολογίζεται η αντοχή στης δοκού, όχι στις πραγματικές, αλλά σίγουρα στις χειρότερες συνθήκες. Στην εικόνα 28 παρουσιάζεται το γραμμικό μοντέλο της δοκού και η μέγιστη ροπή Μy σε αυτό από όπου θα υπολογιστεί η μέγιστη τάση σ max που δέχεται. Σελίδα 33 από 74

40 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 27 διάγραμμα ροπής στην πάνω δοκό του σκελετού Είναι L δοκού =1130 mm Fz = -100kN σε απόσταση L/2=565 mm Η μέγιστη ροπή My maz εμφανίζεται στα άκρα και στο κέντρο της δοκού όπως φαίνεται και στο σχήμα. Είναι w1(x) : 0 x L/2 w2(x): L/2 x L Οριακές συνθήκες: w1(x=0) =0, w1 (x=0) =0 w2(x=l) =0, w2 (x=l) =0 w1 (x=l/2) = w2 (x=l/2) = 0 απ όπου εξάγεται ο τύπος Μy max = και w max = w (x=l/2) = -0,0173 mm και σ max = Σελίδα 34 από 74

41 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Στην εικόνα 29 φαίνεται και η βύθιση w(x) της δοκού. Εικόνα 28 διάγραμμα βύθισης πάνω τετραγωνικής δοκού Σελίδα 35 από 74

42 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος Υπολογισμός δοκού στήριξης Για την οριζόντια δοκό, πάνω στην οποία είναι τοποθετημένες οι εδράσεις, η περίπτωση έδρασης διωστήρα θεωρείται η χειρότερη, οπότε και ο υπολογισμός θα γίνει βάσει αυτής. Κάτω, ακολουθεί η ανάλυση δυνάμεων στην περίπτωση έδρασης του διωστήρα, διότι στην κατώτερη θέση, αξίζει να παρατηρηθεί πως η 2 κάθετες αντιδράσεις στην Fz του εμβόλου δεν είναι ίσες μεταξύ τους. Ο υπολογισμός των δυνάμεων θεωρείται απαραίτητος, καθώς αυτή η διαφορά των 2 αντιδράσεων προκαλεί μία ροπή η οποία οδηγεί στην συστροφή της κάτω τετραγωνικής δοκού η οποία και υπολογίζεται στην επόμενη ενότητα. Σχ. Υπ 1 ανάλυση δυνάμεων στην τελική θέση του συστήματος σούστα-διωστήρας Για το σχήμα Υπ. 1 υπάρχουν τα εξής δεδομένα: Fz = 100 kn L1=1800 mm L2= 1850 mm h1 = 60 mm L3 = 1780 mm x1 = (1800/2) +50=950 mm Lδ = 115 mm Σελίδα 36 από 74

43 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Είναι ΣFx =0 Ax=Bx (1) ΣFz = 0 Fz - Az Bz =0 (2) ΣΜ Α =0 Fz* x1 Bz* L3 + Bx* h1 = 0 (3) tanφ = Bx/ Bz (4) Η γωνία που σχηματίζει ο διωστήρας με την κατακόρυφο δεν είναι ποτέ μηδενική οπότε επιλέγεται αρχική γωνία φ1= 5 0. Για την τελική θέση της σούστας, εκλέγεται L4= 1843 mm,οπότε είναι: h1+h2= οπότε h2= = 101 mm και h2= Lδ*cosφ φ = 28 0 άρα Bx = 0,53 Bz και σε συνδυασμό με την (4) είναι τελικά: Bz = 5244 kp Az = 4755 kp Bx = 278 kp M o = (Bz Az) * (L3/2) + Bx* h1 = 602,04 kpm Στην εικόνα 30 φαίνεται η εντατική κατάσταση της δοκού στήριξης μαζί με το διάγραμμα της ροπής. Σελίδα 37 από 74

44 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Εικόνα 29 δυνάμεις και διάγραμμα My σε οριζόντια δοκό στήριξης Όπως φαίνεται από την εικόνα 30,προς διευκόλυνση των υπολογισμών, η δύναμη Bx η οποία λόγω απόστασης h=60mm σε σχέση με τη δοκό προκαλεί ροπή My, αντικαταστάθηκε από ροπή M Β = Bx* h. L 1 L/2 L-L1 Σχ. Υπ.2 δυνάμεις και αποστάσεις στη δοκό στήριξης L Σελίδα 38 από 74

45 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Είναι : L=2600 mm L1 = 260 mm Η μέγιστη ροπή εμφανίζεται στο μέσο της δοκού με τύπο My max = -Μ Β Β z *((L-L1)-x) όπου x=l/2=1300 mm My max = -4851,7 kpm Οπότε θα είναι και σ max = = 5,1 Και w max =w 2 (x=l)=1,079 mm Εικόνα 30 βύθιση w(x) της δοκού στήριξης Στην εικόνα 31, αξίζει να παρατηρηθεί πως η βύθιση δεν είναι συμμετρική, καθώς η Β z > Α z και η B x προκαλεί μία πρόσθετη ροπή M Β. Σελίδα 39 από 74

46 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος Κάτω τετραγωνική δοκός σκελετού Όπως έγινε και στην πάνω δοκό, τα άκρα της κάτω τετραγωνικής δοκού θα θεωρηθούν πακτώσεις και θα υπολογιστούν ως τέτοιες. Η δοκός καταπονείται με την κάθετη δύναμη Fz του εμβόλου, και με τη Mx που προκύπτει από τη δοκό στήριξης. Στην εικόνα 32 παρουσιάζεται το γραμμικό μοντέλο της δοκού με το γράφημα της ροπής My, ενώ στην εικόνα 33 φαίνεται και η Μx. Εικόνα 31 δυνάμεις και διάγραμμα My της κάτω τετραγωνικής δοκού. Σελίδα 40 από 74

47 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Στην εικόνα 33 παρουσιάζεται το διάγραμμα της ροπής στροφής Mx. Εικόνα 32 ροπή συστροφής Mx στην κάτω τετραγωνική δοκό Η φόρτιση στον άξονα z είναι όμοια με αυτήν της πάνω δοκού οπότε Μy max = (ίση και αντίθετη της πάνω δοκού) Η ροπή συστροφής λόγω της δοκού στήριξης δημιουργεί στα άκρα της δοκού την Μx max = Μx/2 = Οπότε η μέγιστη τάση είναι : σ max = και w max = w (x=l/2) = 0,0173 mm (ίση και αντίθετη με της πάνω δοκού) Σελίδα 41 από 74

48 3.1.4 Υπολογισμός κάθετων δοκών σκελετού Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Οι στηρίξεις των 2 κάθετων δοκών του σκελετού προσομοιάζονται με 2 κυλίσεις, καθώς με αυτόν τον τρόπο η βύθιση είναι η μέγιστη δυνατή. Με αυτόν τον τρόπο το αποτέλεσμα, αν και όχι τελείως ακριβές, εξασφαλίζει τη χειρότερη θεωρητικά περίπτωση, οπότε και καλύπτει με τον καλύτερο τρόπο τα κριτήρια ασφαλείας της κατασκευής. Στην εικόνα 34 φαίνεται το γραμμικό μοντέλο της κάθετης δοκού, μαζί με το διάγραμμα της ροπής My. Εικόνα 33 κάθετη δοκός, ροπή My Λόγω των κυλίσεων, η εξωτερική ροπή Μ στα άκρα της δοκού, δημιουργεί μία My σταθερή σε όλο το μήκος της δοκού. Στην εικόνα 35 φαίνεται και το διάγραμμα της Mz που οφείλεται στη συστροφή της κάτω τετραγωνικής δοκού. Σελίδα 42 από 74

49 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Εικόνα 34 κάθετη δοκός, ροπή Mz Η ροπή Μy είναι σταθερή και ίση με την εξωτερικά εφαρμοζόμενη στα άκρα οπότε και είναι Μy max Όσο για τη Mz, αυτή έχει τύπο : Mz = Ay*x όπου Ay = Mz εξ /L οπότε είναι: Μz max Οπότε για τις ορθές τάσεις είναι: σy max = σz max = Σελίδα 43 από 74

50 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 και για τη λοξή κάμψη είναι: σ eq (x,y,z) = = 2,76 Όσο για τις μετατοπίσεις, η w(x) οφειλόμενη στις My εμφανίζει μέγιστη τιμή στο μέσο της δοκού οπότε αι είναι : w max = w (x=l/2) = -0,4072 mm Στην εικόνα 36 παρατίθεται το διάγραμμα της μετατόπισης w(x). Εικόνα 35 κάθετη δοκός,διάγραμμα w(x). Τέλος, λόγω της Mz αναπτύσσεται μία μετατόπιση στον y η οποία, εμφανίζει μέγιστη τιμή για x=l καθώς η Mz υπάρχει μόνο σε εκείνη τη θέση. Για την v(x) ισχύει: v max = v (x=l) = 0,2587 mm Σελίδα 44 από 74

51 Κεφάλαιο 3 Υπολογισμοί μονοαξονικού δοκιμαστηρίου Ανάλυση τάσεων στο σκελετό Οι υπολογισμοί που αναφέρθηκαν, προσομοιώνουν με τον πιο αυστηρό, αλλά όχι και με τον πιο ακριβή τρόπο, την εντατική κατάσταση στις δοκούς του σκελετού. Κύριος λόγος αυτού, είναι η καταρχήν, ανάλυση της αντοχής της κάθε δοκού ξεχωριστά, και όχι η μελέτη συνολικά του σκελετού. Η ανάλυση αυτή επιδιώκεται να γίνει σε αυτήν την ενότητα, χρησιμοποιώντας το Autodesk Inventor Ο σκελετός θα αναλυθεί μέσω πεπερασμένων στοιχείων. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της εντατικής κατάστασης και των μετατοπίσεων. Όπως φαίνεται παρακάτω, τα αποτελέσματα διαφέρουν αρκετά σε σχέση με όσα έχουν ήδη παρατεθεί. Αυτό οφείλεται στις διαφορετικές συνθήκες, και παραδοχές που γίνονται στον υπολογισμό του σκελετού. Σε κάθε περίπτωση, γίνεται σαφές ότι η κατασκευή βρίσκεται εντός των ορίων της ασφαλούς λειτουργίας. Στη συνέχεια παρατίθενται οι εικόνες με τις μέγιστες τάσεις και παραμορφώσεις όπως εξάγονται από την ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων. Εικόνα 36 Ισοδύναμη τάση στο σκελετό Σελίδα 45 από 74

52 Δοκιμαστήριο μονόφυλλης σούστας σε μονοαξονική καταπόνηση Στουρνάρας Ιωάννης-Λάζαρος, ΑΕΜ:4472 Οκτώβριος 2011 Στην εικόνα 37 φαίνεται η ισοδύναμη τάση, προερχόμενη από την δύναμη του εμβόλου Fz και τις αντιδράσεις που αυτή προκαλεί στην οριζόντια δοκό στήριξης που εδράζεται η σούστα. Η μέγιστη τιμή της (σ eq = 5,4126 kp/mm 2 ) εμφανίζεται στην πάνω τετραγωνική δοκό και είναι ιδιαίτερα αυξημένη σε σχέση με αυτήν που υπολογίστηκε με την κλασική μέθοδο της Αντοχής των Υλικών. Κάτι τέτοιο εξηγείται, καθώς οι δυνάμεις έχουν προσομοιαστεί ως σημειακές, ενώ στην πραγματικότητα, η F του εμβόλου μεταφέρεται μέσα από την άρθρωση αυτού, η οποία και καλύπτει μία επιφάνεια Α= mm 2. Ακόμα και σε αυτήν την περίπτωση όμως είναι σχεδόν 4 φορές μικρότερη από το όριο ροής του χάλυβα st 37 ( R 0.2 =24 kp/mm 2 ). Εικόνα 37 Μέγιστη παραμόρφωση στο σκελετό Στην εικόνα 38 παρουσιάζεται η μέγιστη παραμόρφωση στον σκελετό. Η τιμή της (w max =0.52 mm) πλησιάζει αρκετά αυτή των υπολογισμών (w υπ = 0,48 mm) και εμφανίζεται προφανώς στο ίδιο σημείο με αυτό των υπολογισμών, δηλαδή στο δεξί άκρο της οριζόντιας δοκού στήριξης. Σελίδα 46 από 74