Course Title: Machine Theories (3) Course Code: ID5202

1. FACULTY OF ARTS AND DESIGN Dept. of Industrial Design Course Title: Machine Theories (3) Course Code: ID5202 Fall 2013 5th& 6thLectures

2. Course Lecturer: Dr: Eman Mohamed Hashem Lecture (12.30-2.20) (Saturday) Office Hours: Tuesday (12:30-2:30) E-mail : Eman.Hashem@pua.edu.eg

3. Course Materials: Textbook: • Schilling J., "Fundamentals of Robotics Analysis and Control", Prentice Hall, 1996. • Robot Modeling and Control, First Edition , Mark W. Spong, Seth Hutchinson, and M. Vidyasagar, JOHN WILEY & SONS, INC. • Mohamed Abd El Fattah Hassan, " A Development of Transmission Systems & Its Controlling Effects on Product Performance and Aesthetics", 2007.

4. Course Objectives: After completing this course, Students should be able to: 1. Identifying Robot technology and transmission Motion by (Chains and Teethed Belt, Hydraulic, Pneumatic). 2. Comparing between the working principles of deferent devises.3. Demonstrates the deferent parts of Pneumatic Transmission Motion.4. Design simple robot. 5. Design some devices as (vacuum cleaner, Fire Alarm Device, Flying train, Washing machine).

5. Course Description: Robot technology. Robot arm. Transmission Motion by Chains and Teethed Belt. Hydraulic Transmission Motion. Pneumatic Transmission Motion. Air conditioning and refrigeration The working principle of (vacuum cleaner, Fire Alarm Device, Flying train, Washing machine).

6. Course Evaluation: • The course grade is 100 divided into: • Attendance: (5) • Presentations: (10) • Mid-term exam : (25) • Final Exam: (60) • Total = 100

7. introduction • Hydraulics is not a new science; it has been studied from centuries. Hydraulics went through different eras, more additions and developments to get the shape in which it is studied today. Before starting a technical discussion on Hydraulics in Civil Engineering we will have a sojourn through the history of Hydraulics. • Hydraulics deals with the study of fluids: their behavior, motion and interaction of fluids with other bodies. Technically fluids include liquids and gases, but from the perspective of Hydraulics in Civil Engineering the term fluid generally means a liquid and water in particular.

8. Definitions • Hydraulics: study of fluids:  the study of water or other fluids at rest or in motion. • هيدروليكا (Hydraulics) أو علم السّوائل المتحركةهو علم من علوم الهندسة التي تدرس الخواص الميكانيكية للسوائل. • كلمة هيدروليك : كلمة مشتقة من أصل اغريقى هو (هيدرو) بمعنى مياه , (AULIS) بمعنى ماسورة أو خرطوم.وهو يشمل كل ما يخص السوائل بوجه عام, ومعناها استخدام السوائل فى نقل الطاقة (القوة والحركة) والتحكم بها. • مصطلح الهيدروليكي يعني التحكم في نقل الحركة والقوى داخل الآلات مستخدمةً السوائل المضغوطة . • المضخات الهيدروليكية (Hydraulic Pump) هى وسيلة لتحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة هيدروليكية . • سائل الهيدرولك Hydraulic Oil وهو عبارة عن زيت مخصوص للقوه ويتحمل درجات ضغط عاليه جدا دون أن يتبخر أو يسخن

9. Definitions • Pascal’s Law :pressure applied anywhere to a body of fluid causes a force to be transmitted equally in all directions, with the force acting at right angles to any surface in contact with the fluid.

10. Hydraulic system: • الفكرة الأساسية لأى نظام هيدروليكى تتلخص فى : • أن القوة المؤثرة على نقطة واحدة تنتقل لنقطة أخرى باستخدام سائل غير قابل للانضغاط . • اذا كان الاسطوانتين مختلفتين فى الحجم فان القوة المؤثرة على المكبس الأكبر تكون ضعف القوة المؤثرة على المكبس الأصغر وحتى يمكن خلق هذه القوة الاضافية فيجب أن يتحرك المكبس الأصغر ضعف المسافة التى يتحركها المكبس الأكبر كما يوضح مبدأ قاعدة باسكال التالى.

11. Pascal's Principle ”“Pressure is transmitted undiminished in an enclosed static fluid. The pressure at the bottom of the jug is equal to the externally applied pressure on the top of the fluid plus the static fluid pressure from the weight of the liquid.

12. To determine the multiplication factor in the this figure, start by looking at the size of the pistons. Assume that the piston on the left is 2 inches (5.08 cm) in diameter, while the piston on the right is 6 inches (15.24 cm) in diameter. The area of the two pistons is Pi * r2. The area of the left piston is therefore 3.14 sq in., while the area of the piston on the right is 28.26 sq in. The piston on the right is nine times larger than the piston on the left. This means that force applied to the left-hand piston will generate nine times the force on the right-hand piston. So, if you apply a 100-pound downward force to the left piston, a 900-pound upward force will appear on the right. The only catch is that you will have to depress the left piston 9 inches (22.86 cm) to raise the right piston 1 inch (2.54 cm).

13. Hydraulic system: • يمكن أن تكون الأنبوبة المملوءة بالزيت بأى شكل وأى طول كما يمكن أن تتفرع الأنبوب فى عدة اتجاهات.

14. Hydraulics: • يعتمد علم الهيدروليك على عاملين هما: • الضغط P .(مقدار القوة المؤثرة على وحدة المساحات) • ومعدل التدفق Q (عبارة عن حجم السائل الذى يمر خلال مقطع معين فى فترة زمنية معينة)

15. Hydraulic Theory • Pascal’s Law • Magnitude of force transferred is in direct proportion to the surface area (F = P*A) • Pressure = Force/Area • Liquid properties enable large objects (rudder, planes, etc) to be moved smoothlyقاعدة باسكال : • مقدار القوة المنقولة (F) = P/A • اذا الضغط (P) = F/A • وخصائص السوائل تسهل من نقل الأجسام الكبيرة بسهولة (الدفة, الطائرات,..الخ)

16. قاعدة باسكال Pascal's Law • اكتشف العالم باسكال Pascal خاصية من خواص السوائل وصاغها في قاعدة سميت باسمه " قاعدة باسكال " وقد استخدمت هذه القاعدة في كثير من التطبيقات العملية التي نعتمد عليها في حياتنا. • وتنص قاعدة باسكال على أنه : ”عندما يؤثر ضغط على سائل محبوس فى اناء مغلق فإن هذا الضغط ينتقل بتمامه إلى جميع أجزاء السائل كما ينتقل إلى جدران الإناء المحتوى على السائل“ . • فإذا أخذنا إناء اسطوانى مزود بمكبس و ملأنا الإناء بسائل ما  و ضغطنا على المكبس وليكن مثلا بوضع أثقال عليه حتى يصبح الضغط عند السطح السفلى للمكبس  هو P1 فإن الضغط عند نقطة مثل A  على عمق h  من سطح السائل يساوى P  حيث : • P  =  P1  +  rgh • فإذا زاد الضغط على المكبس بمقدار DP  بزيادة الأثقال مثلا فإننا نلاحظ عدم تحرك المكبس إلى الداخل لعدم قابليـة السائل للإنضغاط. و يزداد الضغط على سطح السائل تحت المكبس بمقدار DP و كذلك عند نقطة A  يزداد الضغط بمقدار DP   و يصبح : • P    =  P1   + rgh +  DP  

17. تطبيقات على قاعدة بسكال – المكبس الهيدروليكى • يعتبر المكبس الهيدروليكى من الأمثلة الممتازة على قاعدة بسكال حيث يوضح كيفية الحصول على قوة كبيرة من قوة صغيرة و الحصول على شغل بمجهود صغير.والشكل يوضح رسما توضيحيا للمكبس الهيدروليكى حيث يتكون من اسطوانتين متصلتين من أسفل و مملوئتين بسائل ما كالزيت مثلا. • كل من الاسطوانتين مزود بمكبس متحرك. أحدهما صغير مساحة مقطعه a والآخر كبير و مساحة مقطعه A فاذا أثرنا على المكبس الصغير  بقوة f  بحيث كان الضغط على المكبس مساويا P   فإنه حسب قاعدة باسكال فإن  الضغط ينتقل بتمامه إلى جميع أجزاء السائل و ينتقل بذلك إلى السطح السفلى للمكبس الكبير و يؤثر عليه بقوة مقدارها   F =PA

18. تطبيقات على قاعدة بسكال – المكبس الهيدروليكى • ولكى يتزن هذا المكبس و يصبح فى نفس مستوى المكبس الأول لابد من التأثير على المكبس الكبير بقوة مقدارها F  حتى يتساوى الضغط المؤثر على المكبسين و يصبح مساويا P • و يتضح من هذه العلاقة أنه إذا أثرنا على المكبس الصغير بقوة f  تتولد على المكبس الكبير قوة أكبرF وتسمى النسبة F/fبالفائدة الآلية أو الفائدة الميكانيكية للمكبس و يرمز لها  بالرمز ε  أى أن :    A/a=F/f= ε • أى أن الفائدة الآلية للمكبس هى النسبة بين القوة التى حصلنا عليها إلى القوة التى أثرنا بها وفى حاله المكبس المثالى ( الذى يعمل بكفاءة 100% ) تعطى بالنسبة بين مساحة المكبس الكبير إلى مساحة المكبس الصغير.

19. كيف تعمل قوة الهيدروليك • يتم ضغط سائل الهيدرولك بواسطة طلمبات Hydraulic pumps ...فيصبح قوه هائلة • يتم تمرير السائل عبر أنابيب. • يتم تحريك الجزء المراد تحريكه حسب توجيه سائل الهيدرولك المضغوط من خلاله وحسب اتجاه المحابس المتحكمة بالاتجاه.

20. العناصر الاساسية لنظام التحكم الهيدروليكى • 1- وحدة القدرة الهيدروليكية :-تتكون من مضخة هيدروليكية(طلمبة) تقوم بسحب الزيت من الخزان ودفعه الى باقى النظام الهيدروليكى ويحتوى الخزان على فلتر لتنقية الزيت من الشوائب ومسخن أو مبرد للزيت حسب حاجة النظام ومؤشر لمستوى الزيت . • 2- عناصر التحكم الهيدروليكية :- عبارة عن مجموعة من الصمامات تقوم بالتحكم فى الضغط والتدفق واتجاه السريان للزيت واهمها صمامات التحكم فى الضغط (تتحكم فى ضغط الزيت وبها حساسات لقياس درجة حرارة وضغط الزيت), والصمامات الاتجاهية (تتحكم فى اتجاه سريان الزيت) وصمامات التحكم فى معدل التدفق (تتحكم فى معدل تدفق الزيت فى الأنابيب أو الاسطوانات).

21. العناصر الاساسية لنظام التحكم الهيدروليكى • 3- عناصر الفعل الهيدروليكية : وهذه العناصر هى المسئوله عن تحويل طاقة الضغط الى طاقة الحركة مثل الاسطوانات والمحركات الهيدروليكية. • 4- الآله المتحكم فيها :- مثل آلات الورش والمكابس والمعدات الثقيلة والمعدات المتنقلة ومثل الخلاطات ومضخات الخرسانة.

22. A simple hydraulic system • A simple hydraulic system consists of: • hydraulic fluid. سائل الهيدروليك • pistons or rams. المكابس • cylinders. الاسطوانات • accumulator or oil reservoir. المراكم (خزانات الضغط) • safety devices. أدوات الأمان

23. Hydraulic System Components • Reservoir الخزان • Pumpالمضخة • Valvesالصمامات • Actuators(motor, cylinder, etc.)المحركات (محرك الألات).

24. What are the Components of a simple Hydraulic Press? • The simple system of hydraulic consists of : • two simple cylinders connected to each other, containing an adequate quantity of hydraulic fluid in it. • One of the cylinders is larger in size when compared to the other. • Both the cylinders have pistons in them, but in strict “hydraulic” terminology, the larger piston is called as a “ram” and small one a “plunger”. • اذا كانت مساحة سطح المكبس الكبير ضعف مساحة سطح المكبس الصغير فان القوة المؤثرة على المكبس الكبير ستكون ضعف القوة المؤثرة على المكبس الصغيروحتى يمكن خلق هذه القوة الاضافية فيجب أن تتحرك المكبس الصغير مسافة ضعف مسافة المكبس الكبير As seen from the figure, a small force “P” applied on the plunger, in the downward direction, presses the hydraulic fluid below it. This pressure is transmitted equally in all directions and raises the “ram” (Pascal’s Law). The heavier load placed on the “ram” is thus lifted up.

25. Simple Hydraulic system

26. استخدامات النظام الهيدروليكى: • مجال الصناعة: المكابس والمعدات الثقيلة وماكينات صناعة البلاستيك وماكينات الرفلة بمصانع الحديد والصلب. • مجال الانشاءات المدنية مثل المعدات المتنقلة كالخلاطات ومضخات الخرسانة والقلابات والحفار الهيدروليكى . • مجال الهندسة البحرية مثل تشغيل الاوناش ويوجد أجهزة التحكم الهيدروليكية على توجيه السفن. • كرسى طبيب الاسنان • الفرامل الهيدروليكية للسيارة • بدلة الغواص على أعماق بعيدة في الماء

27. Applications : There are several other areas where hydraulics are applied. They are: • 1. Automobile garage. جراج السيارات • 2. Petrol pumps. مضخة البنزين • 3. Measuring weights of heavy-lift trucks. شاحنات رفع الأحمال الثقيلة • 4. Hydraulic cranes. الروافع( الأوناش) الهيدروليكية • 5. Automobile steering gears. مقود السيارة الباور • 6. Automobile brake, (disc brakes). فرامل السيارة • 7. Ship's steering gear.معدات توجيه السفن • 8. Robotics. الروبوت • 9. Aircraft's rudder and other maneuvering systems.عصا قيادة الطائرة • 10. Industries and power plants.محطات توليد الطاقة • 11. Servo mechanisms and control systems etc. نظم التحكم

28. A hydraulic jack application:

29. Hydraulic chair

30. Tipper Truck Hydraulic System:شاحنة قلابة تعمل بنظام الهيدروليك

33. Assignment: • المطلوب عمل دراسة بحثية لأنواع نظم التحكم الهيدروليكية وتطبيقها على بعض منتجات التصميم الصناعى. • Required action research study of the types of hydraulic control systems and their application to industrial design products.