105 MAKİNA ELEMANLARI DERS NOTLARI Bölüm 20. GİRİŞ VE AÇIKLAMALAR Makina Elemanları Bilimi, makinaları oluşturan elemanların hesaplama ve şekillendirme prensiplerini inceleyen bilim dalıdır. Herhangi bir sistemin makina olabilmesi için şu şartlara sahip olması gereklidir. Belirli bir fonksiyonu yerine getirmesi, Başka bir sisteme bağlı olmadan kendine özgü, hesaplama şekillendirme prensiplerine sahip olması Bu durumda makina elemanı, basit tek bir parça civata veya somun olabileceği gibi, birçok parçalardan meydana gelen rulmanlı veya kaymalı yatak olabilir. 20.1. Makinalarını ve Makina Elemanlarının Anlamı Günümüz Teknolojisinde insan ihtiyaçlarını ve iş yapabilme kabiliyetini makinalar aracılığıyla görmekte olup, Makina güç ileten, Tesisat malzeme, Cihaz ise sinyal ileten yapıtlardır. Fonksiyonel olarak bu yapıtlar ne kadar birbirinden farklı ise de yapıldığı malzeme ve elemanlar bakımından benzerlikler söz konusudur. Şekil 20.1 GİRDİ ( in put ) MALZEME Güç Güç Kuvvet x hız Enerji / zaman MAKİNA Kuvvet x hız Enerji / zaman Teori ve Tecrübe VERİM ÇIKTI ( out put ) Şekil 20.1 Makine Sistemleri Makina sistemlerinin şematik ifadesinde hareket fikri de kendiliğinden yer almaktadır. Buna bağlı olarak Makina elemanlarının esas fonksiyonu hareket iletmek veya değiştirmektir. hareket elemanları adı verilen bu elamanları destekleme fonksiyonu yapan, destekleme elemanları, ve bu elamanlar arsında irtibat sağlayan ve bu elemanları birbirine veya gövdeye bağlayan irtibat elemanları ve bağlama elemanları, ayrıca biriktirme fonksiyonunu yerine getiren enerji biriktirme elemanları da vardır. Şekil 20.2 20.2. Konstrüksiyon Genel anlamda konstrüksiyon, yeni veya düzeltilmiş makinaların sanat ve tekniğini kapsar. Herhangi bir sistemin ödevinin kesin olarak saptanması, uygulanacak fiziksel prensiplerin saptanması, bu prensipleri sağlayan elemanların seçimi, bunların montaj ve parça resimlerinin hazırlanmasına kadar geçen bütün faaliyetleri kapsar.
106 106 Makina Elemanları Bağlama Elemanları Kaynak, lehim, yapıştırma, perçin Civata Paralel Kama Pim Kama Mil - Göbek Destekleme Elemanları Miller ve Akslar Yataklar Konik geçme Sıkı geçme Sıkma geçme İrtibat Elemanları Kaplinler, kavramalar Frenler Hareket ileten Elemanlar Dişli çarklar Kayış kasnak mekanizması Zincir mekanizmaları Biriktirme Elemanları Yaylar Şekil 20.2 Makina Sistemleri
107 107 Genellikle makina bir ihtiyaç sonucudur. Bu bakımdan makinalar yeni bir iş yapma kalibiliyetine sahip tamamen yeni konsepsiyon tarzında, veya belirli bir işi, mevcut makinalardan daha ekonomik şekilde yapma kabiliyetine sahip olabilir. Bu şekilde yeni makinaları yapmak, yaratıcı kabiliyete, teoriye ve birikmiş tecrübelere dayanan bir işlemdir. Bundan ötürü mekanik, mukavemet, malzeme ve imal usulleri gibi bilgiler konstrüksiyonun esasıdır. Teori Tecrübe Bulucu Kabiliyet Malzeme İmal Usulleri Yeni Makina Şekil 20.3 Konstrüksiyon esasları 20.3. Konstrüksiyon kademeleri ve Geliştirme Faaliyetleri a) Makina bir ihtiyaç sonucu olup, ekonomik, sosyal veya her ikisi olan bu ihtiyaçlar belirli bir hedef ortaya koyar. b) Hedefe göre her makinanın ödevi, Teknik özel istek ve özellikleri saptanır. c) Ödevin yerine getirilmesi için mevcut makinalardan yararlanarak çalışma prensibi saptanır. d) Çalışma prensibine göre ekonomik ve teknolojik fizibilite analizi yapılır. e) Ön şekillendirme ile çalışma prensibine göre makinanın kinematik temel prensipleri saptanır. f) Şekillendirme kademesinde boyutlandırma yapılır. g) Montaj resimleri tamamlandıktan sonra ayrıntılı parça resimleri, boyut, tolerans, malzeme ve ısıl işlem durumları tayin edilir. h) Resimlere göre makinanın prototipi imal edilir, deneylere tabi tutulur ve elde edilen sonuçlara göre gerekirse değişiklik yapılır. i) Sonuç olarak tamamlanan proje, malzeme seçimini de dikkate alınarak hazırlanan rapor doğrultusunda Teknolojik proje hazırlanması ( parçaların işlenme şeklini, işleme anındaki işlemleri, işlem zamanı, kesme ve bağlama takımları, kontrol şeklini, kullanılan ölçme aletlerini, montaj sırasını vs.) ile imalat ve montaj gerçekleştirilir.
108 Hedef Ödev Teknik özel istek ve özellikleri Çalışma prensibin saptanması Fizibilite analizi Ekonomik ve Teknolojik Ön şekillendirme Alternatifleri Temel prensip kinematik tertip Teknik ve Ekonomik analiz Şekillendirme Genel teknik şartlara göre Montaj ve detay resimleri Prototip İmalat Şekil 20.4 Konstrüksiyon kademeleri
109 109 Doğumundan ölümüne kadar insan bilgi ve tecrübesiyle, yaratıcı yeteneğini artırır veya azaltır. Şekil 20.4 de yaratma yeteneğinin olumlu ve olumsuz durumdaki başarı yada başarısızlık şeklinde yansıması görülmektedir. Genellikle teknolojik çalışmalar mevcut makinaların daha ekonomik bir şekilde çalışması ve daha yüksek iş yapma kabiliyetine sahip olması için bunların düzeltilmesi ve geliştirilmesine önem verir. Bu da ancak az sayıda buluş ve çok sayıda iyileştirme ile olur. Basic tools - knowledge and experience../.. Bilgi ve Tecrübe Birth./ Doğum Death./..Ölüm Çözümlenecek Creative../..yaratıcılık problemler Poblems to be solved / Aktivity../..Çalışma.. Sorumluluk ve.. serbest düşüncenin olumlu etkisi Olumsuzluk ve bağımlılığın etkileri Birth../ Doğum Death../ Ölüm Şekil 20.4. İnsanın bilgi ve biriktirme faaliyeti - yaratma yeteneği arasındaki bağıntı 20.4 Makina Dizaynında Teknik Genel İstekler Makinanın seçimi ve şekillendirilmesi fonksiyon ve genel teknik isteklere göre yapılır. Genel Teknik istekleri kapsayan faktörleri, işe yaramama, maliyet, imalat, ve estetik olmak üzere dört gruba ayırmak mümkündür. Şekil 20.5
110 TEKNİK İSTEKLER İşe yaramama Maliyet İmalat Estetik Ani Statik mukavemet Deformasyon Titreşim Stabilite Sıcaklık (mukavemet) Zamana bağlı Dinamik mukavemet Aşınma Sıcaklık (sürünme) İmalat Çalışma Bakım ve Tamir Tolerans yüzey pürüzlülüğü İmalat prensipleri Talaş kaldırma usulü ile işleme kabiliyeti Montaj Günün estetik görüşüne uygun Şekil 20.5 Makine Dizaynında Teknik Genel istekler 20.5. İşe Yaramama İşe yaramama hali, yalnız makina elamanın kopmasından değil, elastik veya plastik deformasyon, titreşimlerin rezonans haline gelmesi, aşınma, sıcaklığın doğurduğu gerilmeler, veya sürünme (creep) olaylarından ötürü, meydana gelebilir. Bu hususlar dikkate alınırsa, makinenin işe yaramaz hale gelmesi, o elemanın yapması gereken fonksiyonu kıvanç verici bir şekilde yapamaması demektir. İşe yaramama hususunu tayin eden faktörleri iki gruba ayırmak mümkündür. Parçanın ani olarak işe yaramaz hale gelmesi, örneğin STATİK YÜK altında kopması, Parçanın zamanla işe yaramaz hale gelmesidir. Örneğin aşınma ve bunun sonucunda parçanın bir süre sonra normal olarak çalışmaması veya DİNAMİK ZORLAMA neticesinde bir müddet sonra kopmasıdır. Genel olarak elemanların ömrü, işe yaramaz hale gelinceye kadar geçen çalışma süresidir. Makina elemanlarının ömrü sonlu ve sonsuz olmak üzere iki şekilde göz önüne alınır. Sonlu ömürde elemanın çalışma süresi belirli ve nispeten kısadır. Sonsuz ömürde ise, çalışma müddettir. Sonlu ve sonsuz ömür makinaların doğal kullanılabilme sürelerine bağlıdır. Bu süre Teknolojinin gelişmesiyle değişmektedir. Örneğin eskiden 15-20 yıl ömre ihtiyaç duyulan bir takım tezgahında, artan rekabet sonucu 7-8 yıla, gelişmiş ülkelerde 4-5 yıla inmiştir. Bazı sanayi kollarında daha da az olan bu süreye Teknolojik süre denir.
111 111 K n < K o K n Kuvvet, sıcaklık gibi etkilerle meydana gelen gerilmeler, şekil değiştirmeler gibi etkenler; K o Gerek elemanın malzemesinin bu etkilere karşı dayanma kabiliyeti (kopma mukavemeti, akma mukavemeti gibi), gerekse elemanın normal çalışmasını etkileyecek hususlar, örneğin bir milin müsaade edilen maksimum çökmesidir. Yukarıdaki bağıntı; S = K o / K n > 1 Şeklinde yazılabilir. S Burada emniyet katsayısıdır. Elemanın ömrü sonlu olduğu taktirde yukarıdaki bağıntı geçerlidir. Ancak sonlu ömür halinde K o istenilen çalışma süresine göre tayin edilir. Bu durumda işe yaramama şartının L hi istenilen çalışma ömrü, L hi L hf veya S h = L hf / L hi 1 şeklinde yazılması uygundur. L hf faydalı çalışma ömrüdür. Genellikle devir sayısı,saat ve yıl olarak ifade edilir. 20.6. Maliyet Makinanın toplam maliyeti imalat, işleme ve bakım masraflarından oluşur. İmalatçı firmayı ilgilendiren husus imalat maliyetidir. Ancak makinayı işleten firmayı ilgilendiren husus işleme ve bakım masraflarıdır. İmalat maliyeti, malzeme, işçilik, takım ve tertibatları ile makinelerin amortismanlarından oluşur. İşletme maliyeti, belirli bir iş için makinanın sarfettiği zaman veya enerjiye, yani üretme gücü ( prodüktivite ) ve verime bağlıdır. Bakım maliyeti, normal bakım için gereken malzeme (örneğin yağ) fiyatını ve sarfedilen zamanı kapsar. Kaliteyi düşürmeden maliyeti düşürmek için, Standart büyüklükteki malzemelerin, parçaların, fonksiyonun etkilenmediği sürece kaba toleransların kullanılmasıdır. 20.7. İmalat Pensipleri Mukavemet hesapları ile ancak kesitlerin boyutları bulunur. Elemanın dış şekli fonksiyonunu en iyi şekilde nasıl meydana getirebileceğine ve imal usulüne bağlıdır. Bu nedenle muhtelif imal usulleri, işletmenin olanakları göz önüne alınarak, ekonomik olarak en uygununun seçilmesi ve elemanın şeklini buna göre vermek gerekir. İmal usulünü seçerken imal edilecek parça miktarı da önemlidir. Örnek : Vida açma işlemi için 25 Adet / saat lik kapasitesi olan otomatik vida açma makinası ile, 10 Adet / saat lik kapasitesi olan el ile vida açma makinas nı mukayese edelim. otomatik vida açma makinası ayar zamanı 3 saat olsun, her iki makinanın saat ücreti 10.000.000. TL.- olsun Makinaların Üretim Fiyat eğrileri Şekil 20.6 daki gibidir. Sonuç : Bu örnek için 50 adet parçaya kadar, el ile vida açma makinası, 50 adet parçadan büyük imalat grupları için otomatik vida açma makinası optimum çözüm olur.
112 0 10 20 30 40 50 60 70 80 x 1.000.000 TL.- otomatik vida açma makinası Sabit Gideri = 3 x 10.000.000 = 30.000.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Şekil 20.6 Makina Üretim - Fiyat eğrisi 20.8. Birimler ve Uluslar arası Birimler Sistemi ( SI ) Büyüklük ölçme yoluyla değerlendirilen bir özelliktir. Ölçme esas olarak bir mukayese işlemi olmakla beraber bir birime göre yapılır. Günümüzde birçok sistemler vardır. Fizikte CGS ve teknikte, Teknik (gravitasyonel) ile MKSA sistemleri kullanılır. ISO tarafından ortaya atılan, MKSA sistemini esas alan ve SI ( System International ) Makine ve Elektrik mühendisliği alanlarında olduğu gibi fizikte de kullanılmaktadır. Uluslar arası birimler sisteminde kuvvet, teknik sistemde olduğu gibi temel büyüklük değildir. Burada temel büyüklük olarak kilogram ( kg ) olan kütle alınmıştır. SI sistemine göre kuvvet türemiş bir büyüklük olup birimi newton ( N ) cinsindendir. Newton kanununa göre ; ( kuvvet = kütle x ivme ) 1 newton = 1 kilogram x 1 metre bölü saniye kare (1 N =1 kg x 1 m/s 2 ) Teknik sistemde kuvvet; ( kuvvet = kütle kg x yerçekimi ivmesi - m / s 2 ) 1 kg f = 1 kilogram x 9,807 m / s 2 = 9,807 kg x m / s 2 1 kg f = 9,807 N 10 N 1 dan 1 kg f 1 dan
113 20.9. Mukavemet hali ve Gerilme cinsleri Makina konstrüksiyonlarında karşılan yükleme cinslerine göre aşağıdaki BASİT GERİLMELER meydana gelir. z I ) Çekme Gerilmesi ç = F/A d II ) Basma Gerilmesi b = - F/A b III ) Eğilme Gerilmesi Eğ =F. l / W e s IV ) Kesme Gerilmesi k = F/A t V ) Burulma Gerilmesi b = F.a / W p f VI ) Burkulma (Flambaj ) f =F/A =.E.I /s.l 2 f I ) Statik Yük veya yüklenme II ) Değişken Yük veya yüklenme III )Tam değişken veya yüklenme R m : zaman mukavemeti D : sürekli, değişken mukavemet Bazı hallerde kesitler birkaç çeşit zorlanma haline birden maruzdur. İki veya üç eksenli gerilme hallerinden ibaret olan bu tür zorlanmalara BİLEŞİK GERİLMELER denir. I ) Çekme Gerilmesi + III ) Eğilme Gerilmesi Çekme Gerilmesi ve Eğilme Gerilmesi ç = F / A Eğ = F. l / W p B top= max = F / A + M e / W p II ) Basma Gerilmesi + III ) Eğilme Gerilmesi Bası Gerilmesi ve Eğilme Gerilmesi b = F / A Eğ = F. l / W p B top= max = - F / A - M e / W p III ) Eğilme Gerilmesi + V ) Burulma Gerilmesi Eğilme Gerilmesi ve Burulma Gerilmesi Eğ = F. l / W p b = F. a / W p a*maksimum Şekil değiştirme varsayımına göre ; B = 0,35 e + 0,65. e 2 + 4. b 2 */s b*maksimum Kayma gerilmesi varsayımına göre ; B = e 2 + 4. b 2 */s c*maksimum biçim değiştirme varsayımına göre ; B = e 2 + 3. b 2 */s IV ) Kesme Gerilmesi + V ) Burulma Gerilmesi Eğilme Gerilmesi ve Burulma Gerilmesi k = F/A= 4 F /3A b = F.a / W p B = k + b = 16 F /3..d 2 +8F /.d 2 = 16 F /3..d 2 = F.(d /2) (.d 3 ) /16 = 40 F /3..d 2 4, 24 F /.d 2
114 20.10. Emniyet katsayısı, Emniyet ve Güvenirlik fikri Mukavemet hesabında amaç elemanın dış kuvvetlere karşı dayanımını sağlamaktır. Hiç bir zaman kendisi tehlikeli sayılan sınır değere kadar yüklenmez. Bu amaca ulaşmak için ; B * olması gerekir. - Dış kuvvetler etkisinde elemanın kesitinde meydana gelen nominal gerilmeler. * - Eşdeğer gerilme olup, malzemenin mukavemet sınırıdır. B * / s ve buna bağlı emniyet katsayısı, Yükleme durumu II III Makine yapımında s emniyet katsayıları I Çelik 1,3... 2,5 Dökme demir GG 3,0... 8,0 1,5... 3,0 Flambaj 3,0... 14,0 * s = 1 B Boyutlandırma bağıntıları; a*maksimum Şekil değiştirme varsayımına göre ; M B = 0,35M e + 0,65. M e 2 + 4.M b 2 b*maksimum Kayma gerilmesi varsayımına göre ; M B = M e 2 + 4. M b 2 c*maksimum biçim değiştirme varsayımına göre ; M B = M e 2 + 3. M b 2 Eşdeğer momenti imgesel bir eğilme momenti kabul edersek; Eğ = M B / (. d 3 / 32 ) * / s d = 3 32 M B / (. * / s ) 20.11. Çentik etkisi Basit gerilmelerin yayılış şekli ancak sabit ve sürekli kesitler için geçerlidir. Eleman üzerindeki ani kesit değişikliği, çentik veya delik gibi kuvvet akışını değiştiren noktalarda ve bu noktalar civarında gerilmeye nazaran ani gerilme artışları ( konsantrasyon ) meydana gelir. Bu artış max. = K t. şeklinde ifade edilir. ( max. = süreksizlik bölgesindeki gerilme, K t = geometrik veya şekil( form ) faktörü. ( Not: millerdeki çentik etkisi ile ilgili ekteki çizelgelere bakınız. ) Hafif tatlı oyuk Düz oyuk Keskin oyuk Kaba oyuk Boydan boya delik Çentik yiv = max. K t