Mašinski elementi su delovi
mašina i uređaja koji prenose ili transformišu energiju,
obezbeđuju povezivanje, vođenje i oslanjanje delova, ili
omogućavaju funkcionalnu i sigurnu upotrebu.
Svaki mašinski
element je u radu izložen opterećenju,
koje izaziva unutrašnje naprezanje i deformacije.
Pravilno
određivanje opterećenja je osnovni korak u proračunu, jer od njega
zavise dimenzije, oblik i izbor materijala.
Statičko opterećenje – sile i momenti se ne menjaju vremenom (npr. težina konstrukcije).
Dinamičko opterećenje – sile se menjaju tokom vremena (udar, vibracije, promene pravca i veličine).
Udarno opterećenje – kratkotrajni, vrlo veliki skok sile.
Promenljivo opterećenje – ciklično delovanje koje može izazvati zamor materijala.
Zatezanje (vučno opterećenje) – sila deluje duž ose elementa i produžava ga.
Pritisak (potiskivanje) – sila deluje duž ose elementa i skraćuje ga.
Savijanje – sila deluje poprečno na osu elementa, izaziva zakrivljenje.
Uvijanje (torzija) – moment sile deluje oko ose elementa, izaziva obrtanje preseka.
Smičuće opterećenje – sile deluju paralelno, pokušavaju da "odrežu" jedan deo od drugog.
U praksi se često javljaju kombinacije osnovnih oblika opterećenja (npr. vratilo istovremeno trpi savijanje i uvijanje).
Pod dejstvom spoljnog opterećenja u elementu se javljaju unutrašnje sile koje izazivaju naprezanja. Svaka vrsta opterećenja izaziva napone u materijalu
a) Kod vučnog i pritisnog opterećenja, naponi koji se javljaju u materijalu se računaju po formuli:
σ = F/A
gde je:
σ – naprezanje (MPa),
F – sila (N),
A – površina poprečnog preseka (mm²).
b) Kod savijanja, sila deluje poprečno na gredu stvarajući moment savijanja, pa je naprezanje:
σ = Mb/W
gde je:
Mb – moment savijanja (N·mm)
W – otporni moment preseka (mm³)
Za pravougaoni presek:
W = 6bh2
Za kružni presek:
W = 32πd3
c) Kod uvijanja, sile deluju van ose grede stvarajući moment uvijanja pa je naprezanje:
τ = Mt/Wt
gde je:
τ – torziono naprezanje (MPa)
Mt – moment uvijanja (N·mm)
Wt – otporni moment na torziju (mm³)
Za puni kružni presek:
Wt = 16πd3
d) Kod smicanja, sila deluje poprečno sa težnjom da otkine element, pa je naprezanje:
τ = F/As
gde je:
As – smičuća površina (mm²)
Svaki element pod opterećenjem menja dimenzije i oblik. Ove promene nazivamo deformacijama, a one mogu biti:
Elastične – element se vraća u prvobitni oblik posle prestanka sile.
Plastične – element zadržava trajnu deformaciju.
Na narednoj slici (slika 8) je dat dijagram zavisnosti napona i deformacija sa jasno izraženim zonama elastične i plastične deformacije
Slika 8. Dijagram napon – deformacija za čelik
Dijagram napona-deformacija prikazuje kako se materijal ponaša pod opterećenjem. Za tipične materijale poput čelika, dijagram ima dve glavne zone:
Elastična zona: U ovoj zoni, materijal se deformiše reverzibilno (vraća se u prvobitni oblik nakon uklanjanja opterećenja). Naponi su ispod granice elastičnosti E , a odnos između napona (σ) i deformacije (ϵ) je linearan, opisan Hukovim zakonom (σ=E⋅ϵ, gde je E modul elastičnosti).
Plastična zona: Nakon dostizanja granice tečenja, materijal ulazi u plastičnu zonu, gde se javljaju ireverzibilne (trajne) deformacije. Naponi mogu rasti do maksimalne čvrstoće M, nakon čega dolazi do loma i materijal pukne.
Pri dimenzionisanju mašinskih elemenata vodi se računa o:
Čvrstoći (otpornost na lom i trajnu deformaciju)
Krutosti (otpornost na elastične deformacije)
Otpornosti na zamor (kod promenljivih opterećenja)
Otpornosti na habanje (kod kontaktnih površina)
Imajući u vidu trajne deformacije koje se mogu javiti, u praksi se uvek računa sa manjim naprezanjem od granice elastičnosti. Odnos napona na granici proporcionalnosti i dozvoljenog napona nazivamo stepenom sigurnosti
S = σP / σdoz
pa se dozvoljeni napon računa kao količnik tabelarne vrednosti čvrstoće odgovarajučeg naprezanja σP i stepena sigurnosti S (u praksi se kreće u rasponu 1,5-4)