Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 3909T010 – Inovační inženýrství Autor práce: Bc. Zdeněk Tomek
Vedoucí práce: Ing. Rudolf Martonka, Ph.D.
pulsator
Master thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering Study branch: 3909T010 – Innovation Engineering
Author: Bc. Zdeněk Tomek
Supervisor: Ing. Rudolf Martonka, Ph.D.
originálem zadání.
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že texty tištěné verze práce a elektronické verze práce vložené do IS STAG se shodují.
11. 4. 2019 Bc. Zdeněk Tomek
Poděkování
Rád bych poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing. Rudolfovi Martonkovi, Ph.D. z Katedry částí a mechanizmů strojů za cenné rady, odborné připomínky a vstřícný přístup během zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat své rodině a přátelům za podporu po dobu studia.
Anotace
Diplomová práce je zaměřena na inovaci konstrukce dynamického pulzátoru na testování polyuretanových výplní automobilových sedadel a jejich komponent.
Konstrukce je navržena na základě zadaných parametrů vycházejících z testovacích norem. Teoretická část se zabývá popisem stávající konstrukce, současným trendem v konstrukcích různých jednoúčelových strojů, druhy pohonů, metodami inovačního inženýrství pro návrh konceptů a volbou konceptu. Ve výpočtové části je navržena konstrukce, která bude zaručovat spolehlivost a finanční nenáročnost. Součástí této práce je 3D model zařízení s výkresovou dokumentací zvolených dílů.
Klíčová slova
Dynamický pulzátor, testování, automobilové sedadlo, inovační inženýrství, 3D modely, výkresová dokumentace
Annotation
The thesis is focused on innovative design of dynamic pulsator for testing of polyurethane fillings of automobile seats and their components. The design is based on the specified parameters. Theoretical part with focus on construction, current trend in construction of various structural elements, types of drives, methodology of innovative engineering for concept design and concept selection. The calculations are designed to provide reliability and cost-effectiveness. Part of this work is a 3D model of the device with drawing documentation of selected parts.
Keywords
Dynamic pulsator, testing, car seat, innovative engineering, 3D models, drawing documentation
Obsah
1. Úvod ... 12
2. Cíl ... 12
3. Popis současného stavu ... 13
4. Plánování inovace ... 17
4.1. Inovační záměr ... 17
4.2. Inovační prohlášení ... 17
4.3. Průzkum trhu ... 18
4.3.1.Budiče ... 18
4.3.2.Lineární vedení ... 21
4.3.3.Konstrukční materiál ... 22
5. Funkčně-objektová analýza... 25
5.1. Trimming ... 26
6. Generování konceptu ... 28
6.1. Patentový průzkum ... 28
6.2. Koncepty řešení ... 30
6.2.1.Koncept A ... 30
6.2.2.Koncept B ... 32
6.2.3.Koncept C ... 34
6.2.4.Koncept D ... 36
6.3. Výběr konceptu ... 38
6.3.1.Kritéria: ... 38
6.3.2.Porovnání kritérií ... 39
6.3.3.Matice párového porovnání konceptů podle kritérií ... 40
6.3.4.Normalizované matice párového porovnání konceptů podle kritérií41
6.3.5.Vyhodnocení ... 42
7. Prvotní konstrukce a modelování ... 44
8. Přezkoumání konstrukčního návrhu ... 46
8.1. Metoda DFX ... 46
8.1.1.Metoda Design For Maintainability/Serviceability ... 46
8.1.2.Metoda Design For Assembly ... 47
8.2. Metoda FMEA-K ... 48
8.3. Výpočtová část ... 50
8.3.1.Výpočet hřídele ... 50
8.3.2.Výpočet ložisek ... 56
8.3.3.Výpočet těsných per ... 57
8.3.4.Analýza rámu jeřábu ... 59
8.3.5.Modální analýza ... 64
9. Finální konstrukce ... 65
10. Ekonomické hodnocení ... 67
11. Závěr ... 70
Použitá literatura a zdroje ... 72
Seznam obrázků ... 74
Seznam tabulek ... 77
Seznam příloh ... 78
Seznam zkratek
Značka Název Jednotka
α úhel [°]
α tvarový součinitel [-]
αB Bachův opravný součinitel [-]
αt čelní úhel záběru [°]
β úhel [°]
β vrubový součinitel [-]
η součinitel jakosti povrchu [-]
ν1 součinitel vlivu velikosti napětí [-]
ν2 součinitel vlivu velikosti uhlikove oceli [-]
σDO dovolené napětí v ohybu [MPa]
σF fiktivní napětí [MPa]
σo napětí v ohybu [MPa]
σoh horní napětí v ohybu [MPa]
σod dolní napětí v ohybu [MPa]
σom střední napětí v ohybu [MPa]
σoa amplitudové napětí v ohybu [MPa]
σRED redukované napětí [MPa]
σC mez únavy [MPa]
σ*Co mez únavy v ohybu skutečné součástí [MPa]
τDk dovolené napětí v krutu [MPa]
τk napětí v krutu [MPa]
τs napětí ve střihu [MPa]
τDs dovolené napětí ve střihu [MPa]
φ úhel [°]
Ψ součinitel citlivosti k asymetrii cyklu [-]
Ψ* součinitel citlivosti k asymetrii cyklu skutečné součásti [-]
ω úhlová rychlost [s-1]
b šířka pera [mm]
C dynamická účinnost [N]
Co statická účinnost [N]
d průměr hřídele [mm]
dmin minimální průměr hřídele [mm]
D průměr náboje [mm]
Da1 průměr hlavové kružnice hřídele [mm]
Da2 průměr hlavové kružnice náboje [mm]
F síla působící na hřídel [N]
F1 síla vyvolaná hmotností závaží [N]
F1 síla působící na pero od hřídele [N]
F2 síla působící na pero od náboje [N]
Fd dolní síla [N]
FD dynamická síla [N]
Fh horní síla [N]
Fs střední síla [N]
FA axiální síla [N]
Fc celková síla [N]
Fct odstředivá síla [N]
FD demontážní síla [N]
FM montážní síla [N]
FN normálová síla [N]
Fp minimální pevnost [N]
Fpy složka obvodové síly působící na hřídel [N]
Fpz složka obvodové síly působící na hřídel [N]
FQ síla předpětí šroubu [N]
Foh ohybová síla [N]
Fr radiální síla [N]
FrA radiální síla v bodě A [N]
FrB radiální síla v bodě B [N]
FR radiální síla [N]
Fs obvodová síla na středním průměru [N]
Ft tečná síla [N]
Fv výsledná síla [N]
Fvz vzpěrná síla [N]
h výška pera [mm]
k bezpečnost [-]
kσ bezpečnost v ohybu [-]
kτ bezpečnost v krutu [-]
kp maximální povolené bezpečnost [-]
l délka pera [mm]
l´ minimální délka pera [mm]
Lh doba chodu v hodinách [h]
Mk krouticí moment [N∙m]
Mo ohybový moment [MPa]
n otáčky [min-1]
nm střední hodnota otáček ložiska [min-1]
P výkon [W]
P zatížení ložiska [N]
pD dovolený tlak [MPa]
q součinitel vrubové citlivosti [-]
q procentuální zatížení [-]
r poloměr zaoblení vrubu [-]
R poloměr zaoblení hran drážky pera [mm]
R výsledná reakce [N]
Rx reakční síla ve směru x [N]
Ry reakční síla ve směru y [N]
Rz reakční síla ve směru z [N]
t hloubka drážky v hřídeli [mm]
tl hloubka drážky v náboji [mm]
v obvodová rychlost [m/s]
Wk průřezový modul v krutu [mm3]
Wo průřezový modul v ohybu [mm3]
1. Úvod
Žijeme v uspěchané době, ve které má čas hodnotu zlata. To vše díky stále novým technologiím, které napomáhají lidstvu provádět veškerou činnost rychleji, efektivněji a s větším uspokojením. To vede k tomu, že zákazník je čím dál náročnější a díky rostoucí rozmanitosti sortimentu tomu nebude jinak. To se týká hlavně dopravních prostředků. Pro firmy obecně je dnes zákazník na prvním místě a zajímají se, o jeho názor, aby mu mohli nabídnout hodnotný výrobek.
Zvláště v automobilovém průmyslu. V automobilu dnes člověk tráví velkou část času a je tedy zapotřebí, aby měl na cestách co největší komfort, za co nejnižší cenu. To se týká mnoha komponent vozu a zvlášť sedadel. Dosáhnout ovšem vyššího pohodlí, tedy hodnoty výrobku pro zákazníka za nižší ceny je velký oříšek a proto se musí aplikovat inovační procesy. Inovační metody se zabývají zájmy a vyhodnocováním potřeb zákazníka a to nejen v oblasti výrobku, ale také na výrobních a testovacích zařízeních. Testovací stroje se snaží ověřit hlavně bezpečnost, ale také komfort.
Pokud tedy chceme, aby sedadlo mělo co nejvyšší hodnotu pro zákazníka za co nejnižší cenu, musíme provádět inovační metody jak na výrobcích tak i na výrobních a tetovacích zařízeních. To vede ke spokojenosti zákazníka, zvýšení poptávky a také k eliminaci únavy obsluhy testovacích zařízení
2. Cíl
Cílem diplomové práce je inovace konstrukce dynamického pulzátoru na testování polyuretanových výplní automobilových sedadel a jejich jednotlivých komponent. Konstrukce všech nalezených konstrukčních řešení musí být splněna v návaznosti na zadané parametry, které vycházejí z norem. Normy nastavují postupy a podmínky pro průběh dynamického testu (měření komfortu),[1,2,3]. Normy vyžadují závaží o hmotnosti maximálně 75kg, frekvence od 0 Hz do 15 Hz, indentor určitého tvaru, dobu trvání testu od několika sekund po 70 minut, výchylky 2 až 10 mm a umožnění volného pádu závaží na sedadlo. Cílem je snížení poruchovosti stroje, snížení nároků na obsluhu a usnadní práce při údržbě.
3. Popis současného stavu
Obrázek 1: Současný stav [vlastní]
Dynamický pulzátor (obr:1) je jednoúčelové vibrační zařízení s primární funkcí testovat polyuretanové výplně automobilových sedaček a jejich komponenty. Druhy prováděných testů jsou dynamického charakteru a v oboru jsou nazývány jako testy měření komfortu. Zařízení uvádí do chodu dva krokové elektromotory o celkovém výkonu 4 kW. Tento potřebný výkon je stanoven na základě váhy, která musí být uvedena do pohybu a činní 100kg. Otáčky motoru jsou řízeny prostřednictvím počítače, kam obsluha zadává potřebné parametry a frekvenčních měničů. Motor přes pružnou spojku roztáčí hřídel, na níž jsou uloženy tři vačky s různou excentricitou (obr:2).
Obrázek 2: Soustava vaček [vlastní]
Zobrazené vačky mají excentricitu 2; 5; 10 mm. Volí se podle potřeb norem. Vačky jsou v kontaktu s vahadlem (obr:3). Vahadlo je složeno z kuličkového jednořadého ložiska, které je uloženo na hřídeli, ta zase v ocelových podpěrách, které jsou osmi šrouby připevněny k hliníkovému tělu vahadla. K profilu jsou šrouby připevněny úhlové spojky, díky nimž je vahadlo spojeno s pracovní deskou (obr:3).
Obrázek 3: Spojení vahadla s pracovní deskou [vlastní]
Pracovní deska je uložena na čtyřech lineárních vedeních (obr:3), což umožňuje konat vertikální pohyb. Při výměně vaček se deska nadzvedává šroubovým zvedákem a podkládá dvěma ocelovými válečky (obr:3). Na pracovní desce je uložen testovaný objekt (obr:1). V horní části konstrukce je na rámu uloženo navíjecí zařízení s kličkou.
Na dvou bubnech jsou navinuty řetězy, které jsou na spodním konci opatřeny háčky pro zachycení závaží (obr:4,5). Před zahájením testu je indentor se závažím zaháknut za tyto háčky a vyzvednut pár milimetrů nad testovaný objekt. Test započne odjištěním závaží na objekt. Po skončení testu je závaží opět vyzdviženo. Indentor je uložen na lineárním vedení, umožňující volný pohyb ve vertikálním směru. V poslední řadě je na horní části rámu připevněn senzor pro snímání optimální polohy závaží (obr:1,4).
Obrázek 4: Horní část zařízení [vlastní]
Obrázek 5: Způsob zajištění závaží [vlastní]
Výhody:
- Jednoduchost konstrukce - Jednoduchá montáž - Nízké pořizovací náklady - Nízké provozní náklady
- relativně neomezená životnost budiče - Snadná obsluha
- Lze libovolně připevňovat doplňky k hliníkové konstrukci (stavebnice) - Libovolné frekvence (otáčky krokového motoru)
Nevýhody:
- Velký počet technologicky rozličných dílů - Mechanické odírání kontaktní plochy vačky - Náročná výměna vačkové hřídele
- Nelze vyvodit statické účinky - Velký počet pohonů (motorů) - Náročná manipulace se závažím - Velký přenos vibrací do podlahy - Náročnost seřízení pohonů (motorů) - Praskání spojek
4. Plánování inovace
Tato kapitola se zabývá činností prováděnou před samotným projektováním a vývojem. U sériových výrobků se zde provádí především metody marketingu a směr informací od zákazníků.
4.1. Inovační záměr
Dle provedeného detailního rozboru současného stavu konstrukce zařízení a nalezení nedostatků, byl ustanoven inovačním záměrem. Proveďte návrh nové konstrukce dynamického pulzátoru na testování polyuretanových výplní automobilových sedadel a jejich komponent s cílem snížení poruchovosti stroje, snížení nároků na obsluhu a usnadní práce při údržbě. Vše v takových mezích, aby testy mohly stále probíhat dle již zmíněných norem.
4.2. Inovační prohlášení
Inovační prohlášení přesně stanovuje, čeho se má inovace týkat, za jakých podmínek a s jakým cílem. Jednodušeji formulováno, jde tedy o ustavení podrobnějšího zadání problému, kterému budeme čelit. Toto prohlášení je zároveň jednoznačným a jednoduchým shrnutím pro zákazníka, v oblasti všeho čeho se má dosáhnout.
Tabulka 1: Inovační prohlášení
Popis
inovovaného výrobku (záměr)
Dynamický pulzátor na testování PUR výplní automobilových sedadel a jejich komponent umožňující dosažení potřebného druhu buzení testovaného objektu ve vertikálním směru a kmitání volné hmoty (závaží).
Klíčové obchodní cíle
Prodej navržené konstrukce pro automobilové společnosti Primární trh Automobilový průmysl
Sekundární trh Průmysl zaměřený na výrobu a testování různých druhů sedadel.
Předpoklady Předpokládá se, že stroj bude schopen pracovat v rámci výše zmíněných norem.
Omezení Testované objekty musí být ve formě sedáků bez opěradel.
Závaží musí volně kmitat. Déle normy.
4.3. Průzkum trhu
Průzkum trhu byl zaměřen na dílčí komponenty stávajícího stavu, které plní stejné nebo podobné funkce, potřebné k zajištění všech podmínek pro provoz pulzátoru.
4.3.1. Budiče
Budič je klíčovou komponentou, která by měla zajišťovat vertikální pohyb testovaného sedadla a jeho komponent. Vyvozuje vstupní podmínky. Trh nabízí nepřeberné množství budičů a každý má své výhody a nevýhody. Hlavní prioritou je generovaní přesného druhu buzení. Budiče jsou elektrické, pneumatické, hydraulické.
Elektrické budiče
Do této kategorie spadají především elektromotory. Elektromotor je zařízení, měnící elektrickou energii na mechanickou práci. Toho je docíleno vzájemným silovým působením magnetických polí statoru a rotoru. Elektromotorů existuje velká řada a rozlišují se podle charakteru magnetických polí, což ovlivňuje jejich vlastnosti. Ze základu se elektromotory dělí na stejnosměrné a střídavé. Dále máme krokové (obr:4) a servomotory (obr:5), které spadají do skupiny stejnosměrných motorů. Dělení je mnohem složitější a není podstatou této práce.
Obrázek 6: Krokový motor [4]
Obrázek 7: Servomotor [5]
Výhodou elektromotorů je:
Nízká ceny, široký sortiment, snadná regulace, libovolné budící signály, energeticky šetrné, dlouhá životnost.
Nevýhodou elektromotorů je:
Nelze vyvodit statické účinky, většinou nelze použít bez převodovky, závislost krouticího momentu na otáčkách
Elektrodynamické budiče
Prakticky řečeno jde o zařízení pracující na podobném principu jako reproduktor. Buzení probíhá na základě převodu elektrického signálu na mechanický, za pomoci kmitající cívky (obr:6).
Obrázek 8: Elektrodynamický budič [6]
Výhodou elektrodynamického budiče je:
Libovolné budící signály, vysoké frekvence buzení i pro velké síly Nevýhodou elektrodynamického budiče je:
Nelze vyvodit statické účinky, malé výchylky, pouze lineární pohyb a vysoká cena
Pneumatické budiče
Pneumatický budič k vyvození buzení používá stlačený plyn. Ke stlačení dochází ve válci, obsahující plyn, za pomoci pístu (obr:7).
Obrázek 9: Pneumatický budič [7]
Výhodou pneumatického budiče je:
Nízká cena a široká nabídka, lze vyvodit statické účinky, posuvný i rotační pohyb, ekologické médium
Nevýhodou pneumatického budiče je:
Vzduch jako médium je stlačitelný, velmi reaguje na vnější působení, obtížně se reguluje, obtížné dodržení tvaru požadovaného signálu
Hydraulické budiče
Hydraulický budič pracuje na podobném principu jako pneumatický. Zde ovšem dochází ke stlačování hydraulického oleje, který je do válce přiváděn soustavou hadic s čerpadly a chladiči. Olej je dodáván z nádrže (obr:8).
Obrázek 10: Hydraulický budič [vlastní]
Výhodou hydraulického budiče je:
Lze vyvodit statické zatížení, libovolné budící signály, dosahuje velkých sil a rychlostí
Nevýhodou hydraulického budiče je:
Neekologické médium, průsaky oleje, náročná instalace, malá životnost těsnění, problém s uchlazením média, vysoká cena, menší přesnost,
4.3.2. Lineární vedení
Lineární vedení je jednoduchý vodící systém s velikou přesností. Pohybu se dociluje za pomoci několika klíčových prvků. Ve své podstatě má dva základní prvky, rolnu (pouzdro) a kolejnici. Trh nabízí rozmanitý sortiment lineárních vedení a budou zde uvedena pouze některá řešení.
Vodící tyče a kuličková pouzdra
Vodící tyče jsou kruhového průřezu. Jsou kalené, broušené s nerezovou povrchovou úpravou. Vyrábí se v tolerancích h s drsností Ra 0,25. Pouzder pro tento druh vedení je široká škála. Vnější průměry pouzder jsou vyráběny tak, aby mohla být lisována do děr o tolerancích H7, K7, J7. Kuličky kuličkových pouzder jsou z ložiskové oceli a pouzdra jsou opatřena těsněním. Pouzdra se mohou vkládat do hliníkových domků (obr:11),[8].
Obrázek 11: Vodící tyč s kuličkovým pouzdrem [9]
Rolničková vedení
Rolničkové vedení se skládá z vodící kolejnice, vodící rolny a nosné desky.
Kolejnice se vyrábí v různých provedeních, která byla prověřena praxí. Kolejnice může být jednostranná nebo oboustranná. Vyrábí se především z kalené broušené oceli v tol.
H7 (Obr:12),[8].
Obrázek 12: Rolničkové vedení [10]
Lineární vedení s profilovou tyčí
Opět jsou vyráběna v mnoha variantách. Základem je profilová tyč a vozík obsahující oběhové kuličky nebo válečky. Vyrábí se v mnoha velikostech a přesnostech.
Profilová tyč je vyrobena z kalené a broušené oceli. Jejich nesmírnou výhodou je ovšem vysoká únosnost a tuhost soustavy při malém valivém odporu. Mohou pracovat při rychlostech do 3m/s a únosnost mají od 8400 do 128 500 N (Obr:13),[11].
Obrázek 13: Lineární vedení s profilovou tyčí [12]
4.3.3. Konstrukční materiál
Volba konstrukčního materiálu, ze kterého bude sestavena konstrukce stroje, je klíčovou částí pro zaručený a spolehlivý chod stroje. Pro různé účely je vhodný různý materiál a různý profil. V současné době se však užívají hlavně dva konstrukční materiály a to ocel a hliník.
Ocelové profily
První možností je použití ocelových svařovaných rámů. Ty se nejčastěji skládají z různých ocelových nosníků o různých tvarech například: I, U, L, H. Dále se používají ocelové uzavřené profily (jekly). Ocelové konstrukce mají vysokou pevnost vzhledem k hmotnosti, vysokou tuhost a jsou recyklovatelné až z 90 %. Problém je však v tom, že mají malou odolnost vůči změnám teplot, jsou relativně drahé a těžké a náročně se udržují (obr:14).
Obrázek 14: Ocelová svařovaná konstrukce [13]
Hliníkové čtyřhranné profily
Další variantou jsou hliníkové profily. S rozvojem sortimentu byla potřeba konstruovat jednoúčelové stroje, které by bylo možno snadno a rychle přizpůsobovat linku sortimentu. V reakci na to byly zkonstruovány konstrukční systémy z duralu, umožňující rychlou stavbu rámů. Nespornou výhodou je tedy snadná montáž, snadná manipulace, možnost připevňování různých zařízení na konstrukci, bez nutnosti zásahu do konstrukce, vysoká profilová pevnost, vysoká pevnost vůči hmotnosti a takřka absence údržby. Samotný profil má menší pevnost, tuhost a malou únosnost (obr:15).
Obrázek 15: Hliníkové čtvercové profily [14]
Hliníkové trubkové profily
Trubkové hliníkové systémy jsou podobné těm čtvercovým, mají však odlišné vlastnosti. Opět se s nimi snadno manipuluje a konstrukce se snadno sestavují. Jejich stabilita je však zaručena pouze při nízkých hmotnostech zatížení a proto je vhodné je využívat hlavně na regály (obr:16).
Obrázek 16: Regál z trubkového hliníkového systému [15]
5. Funkčně-objektová analýza
Je metodika rozboru základních funkcí, působení a transformací mezi jednotlivými komponenty výrobku, zajišťující plnění hlavní úkol daného objektu.
Jednodušeji řečeno jde o působení subjektu na objekt. Je důležité, aby hlavní funkce výrobku měla největší procentuální zastoupení v celém systému. Díky této analýze lze po sestavení grafického modelu identifikovat nedostatky spojené s komponentami systému nebo lze zjednodušit systém odstraněním nadbytečných komponent (trimming).
Hlavním cílem je zdokonalení technického systému. Funkční analýza byla vytvořena pro dva stavy. První stav je při samotném testu, pohyb závaží. Druhý stav je při výměně vaček. Zvedák drží pracovní desku [16].
Hlavní funkce dynamického pulzátoru:
Pulzátor → pohybuje →sedadlem Legenda:
Obrázek 17: Funkčně-objektová analýza [vlastní]
5.1. Trimming
Je to analytický nástroj, pro odstranění určitých komponent a převedení jejich konkrétní funkce na zbývající komponenty technického systému nebo nad systému.
Proces probíhá v několika krocích. Nejprve je vybrána komponenta, která má problém (nadbytečná, škodlivá) a ta je vynesena ven. Poté se aplikují tři pravidla trimmingu.
Následně je nalezen nový nositel funkce a nakonec je formulován trimming problém (obr:18).
Obrázek 18: Proces přenosu funkčnosti [17]
Po výběru komponent a sestavení modelů vzešli následující finální trimmingové otázky:
1. Jak změnit pohon aby pohyboval pracovní deskou?
2. Jak změnit páku aby pohybovala háky?
3. Jaká jiná komponeta TS drží pracovní desku?
Po provedení trimingu sestavíme nový model, který se odkazuje na všechny uvedené trimmingové otázky (obr:19). Nový model bude možné poté lze aplikovat ve fázi generování konceptu.
Obrázek 19: Funkčně-objektová analýza po trimmingu [vlastní]
Funkční analýza nám ujasnila hlavní funkci zařízení, která zní, Pulzátor pohybuje sedadle. Bylo také zjištěno, že stávající zařízení má dva stavy. Tedy samotný test, kdy soustava generuje pohyb a stav výměny vaček, kdy je potřeba držení pracovní desky v určité výšce, tedy zvedák drží pracovní desku. Za pomoci trimmingu a sestavení otázek byl model zjednodušen a obě funkce v obou fázích plní pohon.
Výsledek bude promítnut do konceptu.
6. Generování konceptu
V této kapitole proběhne návrh konceptů, které reprezentují přibližný popis konstrukcí, technologií, tvarů a funkcí navržených prvků. Dále proběhne průzkum již známých a podobných řešení, která jsou dostupná ne veřejných databázích.
6.1. Patentový průzkum
Při generování konceptu byl proveden průzkum již známých řešení, které umí plnit funkci související s danou problematikou. Byl tedy proveden průzkum patentových databází, nacházejících se na internetové síti. Vyhledávání v patentových databázích má nesmírnou výhodu v tom, že nalezené řešení je ve většině případů již realizováno a používáno a tedy v praxi prověřeno. Dále dochází k eliminaci velice náročného kroku při překonávání technického rozporu, kterým je vynalézání. Vyhledávání proběhlo v různých odvětvích za pomoci zadávání klíčových slov a to na Google Patents a databázi UPV. Z funkčně-objektové analýzy již byla zjištěna hlavní funkce, která zní Pulzátor → pohybuje →sedadlem. Na základě této funkce budou zadávána klíčová slova do vyhledávače. Ta mohou být psána stejného nebo podobného znění a to v různých odvětvích. Dále zde byla použita metoda známa jako Funkčně orientované vyhledávání (Function Oriented Search) [16]
Klíčová slova:
Vibration exciter (vibrační budič) Seat movement (pohyb sedadla) Simulator seat (sedadlo simulátoru)
Nalezené patenty jsou zobrazeny na obrázcích (obr: 20,21) a v přílohách 4,5.
Obrázek 20: US6283757B1- Full motion two seat interactive simulator
Obrázek 21: US20050069839A1- Apparatus for producing or enhancing a perceived sensation of motion
6.2. Koncepty řešení
Výstupem z provedených analýz byl návrh několika možných variant řešení daného problému. Tato řešení jsou znázorněna ve formě konceptů, což je jednoduchá, schématická forma vyjádření vzniklé myšlenky se slovními popisy klíčových částí konstrukce. Dále pro objektivnější představu hlavních rozdílností mezi koncepty byly vyhodnoceny výhody a nevýhody jednotlivých variant.
6.2.1. Koncept A
Koncept A (obr:22,23) byl navržen na základě myšlenky eliminace vaček a dílů mezi budičem a pracovní deskou. Bylo tak realizováno hydraulickým válcem (1), který představuje budič vibrací a dalších nezobrazených dílů, jako jsou čerpadla, rozvody oleje, chlazení, atd. Jde tedy o hydraulický dynamický pulzátor. Byl také zjednodušen mechanismus zdvihu závaží. Na válci (5), který je poháněn servomotorem (6), jsou navinuta lana s elektromagnety (4). Magnety ulehčí náročnou manipulaci se závažím (7) vyvozující zatížení sedadla uloženého na pracovní desce (2) a eliminují potřebnou vizuální fixaci a řízený pohyb pro zaháknutí háků za nosné kolíky. Rám (3) je z hliníkových profilů.
Výhody:
- Snížení počtu technologických dílů - Lze vyvodit statické účinky budiče
- Vyvození velikých sil při malých rozměrech budiče - Libovolné budící signály budiče
- Usnadnění manipulace se závažím Nevýhody:
- Obtížná montáž energetických rozvodů - Průsaky
- Neekologické médium
- Nutná celková oprava každých 5 let
- Nutná úprava dosedacích ploch pro elektromagnety - Veliké provozní náklady
- Potřeba velké nádrže na hydraulický olej
Obrázek 22: Prostorový pohled konceptu A [vlastní]
Obrázek 23: Přední pohled konceptu A [vlastní]
6.2.2. Koncept B
Koncept B (obr:24,25) byl navržen se záměrem eliminovat všechny druhy dílů a nejen ty technologicky rozličné. Dále se držet podobného nápadu jako u předchozího konceptu, který byl eliminace dílů mezi pohonem a pracovní deskou, na které je upevněno sedadlo. To vše při zachování elektrického druhu buzení za pomoci elektromotoru, který obsahuje stávající konstrukce. Soustava je opět uložená na rámu (5) z hliníkových profilů. Ta je ovšem již buzena lineárním pohonem (1), tedy aktuátorem měnícím rotační pohyb rotoru na pohyb posuvný. Struktura lineárního pohonu je taková, že máme pohonnou jednotku, což je rotační motor, který přes integrovaný mechanický převod, přenáší otáčky na závitovou tyč, vlivem čehož dochází k transformaci na lineární pohyb. Aktuátor je umístěn mezi rámem a pracovní deskou (3), která je uložena na čtyřech vedeních (2). Na pracovní desce je umístěno testované sedadlo. To je zatíženo závažím (4), které je zdviháno též lineárním motorem (6).
Závaží je vedeno lineárním vedením v hliníkovém profilu a je spojeno nylonovým lanem se závitovou tyčí, která je součástí pohonné jednotky zdvihacího zařízení (obr:26). Ta se obsluhuje přes ovládací spínač.
Výhody:
- Snížení počtu dílů - Jednoduchá montáž - Nízké provozní náklady - Nízká pořizovací cena - Snadná obsluha
- Lze vyvodit statické účinky Nevýhody:
- Omezení lineárního motoru závitovou tyčí - Malé rychlosti lineárního pohybu
- Nutnost použití převodovky
- Možnost vzpříčení lineárních vedení
Obrázek 24: Prostorový pohled konceptu B [vlastní]
Obrázek 25:Přední pohled konceptu B [vlastní]
Obrázek 26: Spoj mezi vedením a motorem [vlastní]
6.2.3. Koncept C
Koncept C (obr:27,28) pracuje na stejném principu, jako původní stav. Byl ovšem zkonstruován s ohledem na co nejmenší počet dílů, co nejjednodušší obsluhu a snadnou a levnou údržbu. Soustava je buzena jedním servomotorem (10). Motor přenáší rotační pohyb přes pružnou spojku (9) spojenou s hřídelí, na které je uložena jedna vačka (2). Ta se nachází na konci hřídele, což umožňuje snadnou a rychlou výměnu dle potřeby (obr:29). Vačka je v kontaktu s rolnou (obr:30), tedy kuličkovým jednořadým ložiskem, které má vnější kroužek speciálně uzpůsoben pro toto použití. Pro lepší mechanické vlastnosti a zabránění odírání je zakalen. Rolna je uložena na hřídeli, ta následně v ocelových podpěrách, které jsou připevněny k hliníkové kostře nohy. Noha je opatřena lineárním vedení (3). Pro zvýšení tuhosti je vyztužena ocelovou konstrukcí.
Noha je připevněna k hliníkové pracovní desce (5) s testovaným sedadlem. Zkušební závaží je vedeno lineárním vedením (4), které je spojeno za pomoci lana a soustavy kladek (6) k páce (7). Za pomoci páky operátor zdvihá břemeno. Pro zajištění slouží ocelový kolík. Vše je uloženo na rámu (8) z hliníkových profilů.
Výhody:
- Snížení počtu dílů - Snadná obsluha
- Nízké provozní náklady
- Libovolný signál (výměna vaček dle potřeby) - Vysoké rychlosti
- Nízké pořizovací náklady
- Snížení odírání vačky (oproti výchozímu stavu) - Jeden pohon (oproti výchozímu stavu)
- Snadná montáž a demontáž Nevýhody:
- Nelze vyvodit statické účinky
- Nutné dodržení centra působiště sil (zabrání vzpříčení vedení nohy)
Obrázek 27: Prostorový pohled koncceptu C [vlastní]
Obrázek 28: Boční pohled konceptu C [vlastní]
Obrázek 29: Pohonná část [vlastní]
Obrázek 30: Kontakt vačky s rolnou [vlastní]
6.2.4. Koncept D
Koncept D (obr:31,32)je buzen elektrodynamickým budičem (obr:33) (1).
Tento budič pracuje na principu převodu elektrického signálu na mechanický, za pomoci kmitající cívky. Funkce je stejného charakteru jako u reproduktoru, s absencí převodu signálu na akustický. Tento druh budiče je chlazen vzduchem. Je usazen v masivním svařovaném ocelovém rámu. Na horní desku budiče lze upevnit pracovní desku (2), vyrobenou přímo pro tyto konstrukce. Na ní následně lze přidělat testované sedadlo. Masivní ocelový rám také umožňuje připevnění další nástavby (4), kterou si již zákazník může zhotovit sám. Ta je zde z důvodu jištění závaží (3) a upevnění systému pro zdvih břemene (5). Pákový mechanizmus je odvozen z principu otvíráku na víno.
Místo vývrtky je zde víčko s vnitřním závitem, který se šroubuje na závitový konec válcového vedení závaží. Horní polohu zajišťuje pojistný kolík.
Výhody:
- Snížení počtu dílů - Kompaktní zařízení - Libovolné budící signály
- Vysoké frekvence buzení i pro velké síly Nevýhody:
- Pouze lineární pohyb - Malé výchylky
- Vysoké provozní náklady - Vysoká ceny
- Složité upevnění závaží k páce
Obrázek 31: Prostorový pohled konceptu D [vlastní]
Obrázek 32: Přední pohled konceptu D [vlastní]
Obrázek 33: Elektrodynamický budič [vlastní]
6.3. Výběr konceptu
Výběr konceptu byl proveden za pomoci tzv. rozhodovací matice. Tato metoda je známější pod názvem Analytic Hierarchy Process (AHP). Jedná se o matematický model, který představuje vícekriteriální rozhodovací metody. Pokud se rozhodujeme mezi více variantami, je nutné pro každou variantu stanovit kritéria, která jsou při rozhodování stanovena na základě požadavků od zákazníka. Jedná se o ocenění jednotlivých konceptů na základě stanovených kritérií, která mohou mít různé váhy.
Získání pravděpodobnostních hodnot kritérií je ta nejtěžší část, zbytek je pouze matematika. V prvním kroku je potřeba porovnat velikost priorit mezi jednotlivými kritérii a poté určit procentuální důležitost. Následně se podobná operace provádí pro koncepty, které se mezi sebou porovnávají v závislosti na kritériu. Každý koncept tak obdrží stupeň priority v daném kritériu. Nakonec je provedeno vyhodnocení a získání nejvhodnějšího navrženého řešení.
6.3.1. Kritéria:
I. Nízké pořizovací náklady
II. Nízká hmotnost, rozměry a kompaktnost
III. Nízké nároky na obsluhu (snadná montáž a demontáž) IV. Nízké provozní náklady
V. Nízký počet dílů
Hodnocení:
Tabulka 2: Hodnocení
Hodnoty Váha Význam
1-3 mírná Obě varianty vzhledem ke kritériu mají stejnou váhu.
4-6 střední První varianta vzhledem ke kritériu má středně velkou váhu oproti druhé variantě.
7-9 velká První varianta vzhledem ke kritériu má velkou váhu oproti druhé variantě.
6.3.2. Porovnání kritérií
Jde o porovnání vztahů mezi jednotlivými kritérii a určení nejpodstatnějšího.
Tabulka 3: Matice párového porovnání kritérií
Koncept I II III IV V
I 1,00 3,00 4,00 4,00 5,00
II 0,33 1,00 3,00 0,17 0,20
III 0,25 0,33 1,00 0,33 0,50
IV 0,25 6,00 3,00 1,00 3,00
V 0,20 5,00 2,00 0,33 1,00
Součet 2,03 15,33 13,00 5,83 9,70
Tabulka 4: Normalizovaná matice kritérií
Kritérium I II III IV V Průměr
I 0,49 0,20 0,31 0,69 0,52 0,44
II 0,16 0,07 0,23 0,03 0,02 0,10
III 0,12 0,02 0,08 0,06 0,05 0,07
IV 0,12 0,39 0,23 0,17 0,31 0,25
V 0,10 0,33 0,15 0,06 0,10 0,15
Součet 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Jako důležité kritérium vyšly nízké pořizovací náklady. Jde tedy o to, aby inovovaný stroj nebyl oproti stávajícímu stavu mnohonásobně dražší. Další důležité kritérium, jsou nízké provozní náklady. Stroj by tedy neměl obsahovat prvky, vyžadující častý servis nebo výměnu a chod stroje by měl být energeticky co nejméně náročný. Třetí pozici zaujalo nízký počet dílů.
6.3.3. Matice párového porovnání konceptů podle kritérií
Tabulka 5: Matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké pořizovací náklady
Koncept A B C D
A 1,00 0,13 0,11 5,00
B 8,00 1,00 0,33 9,00
C 9,00 3,00 1,00 9,00
D 0,20 0,11 0,11 1,00
Součet 18,20 4,24 1,56 24,00
Tabulka 6: Matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké hmotnosti
Koncept A B C D
A 1,00 0,13 0,14 3,00
B 8,00 1,00 3,00 8,00
C 7,00 0,33 1,00 8,00
D 0,33 0,13 0,13 1,00
Součet 16,33 1,58 4,27 20,00
Tabulka 7: Matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké nároky na obsluhu
Koncept A B C D
A 1,00 0,20 0,17 0,25
B 5,00 1,00 2,00 5,00
C 6,00 0,50 1,00 6,00
D 4,00 0,20 0,17 1,00
Součet 16,004,59 1,90 3,33 12,25
Tabulka 8: Matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké provozní náklady
Koncept A B C D
A 1,00 0,14 0,11 0,33
B 7,00 1,00 0,25 4,00
C 9,00 4,00 1,00 6,00
D 3,00 0,25 0,17 1,00
Součet 62,00 5,39 1,53 11,33
Tabulka 9: Matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízký počet dílů
Koncept A B C D
A 1,00 0,17 0,20 0,14
B 6,00 1,00 3,00 0,20
C 5,00 0,33 1,00 0,33
D 7,00 4,00 3,00 1,00
Součet 19,00 5,50 7,20 1,68
6.3.4. Normalizované matice párového porovnání konceptů podle kritérií
Tabulka 10: Normalizovaná matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké pořizovací náklady
Kritérium A B C D Průměr
A 0,05 0,03 0,007 0,21 0,09
B 0,44 0,24 0,21 0,38 0,32
C 0,49 0,71 0,64 0,38 0,56
D 0,01 0,03 0,07 0,04 0,04
Součet 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Vzhledem k pořizovacím nákladům vychází nejlépe koncept C.
Tabulka 11: Normalizovaná matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké hmotnosti
Kritérium A B C D Průměr
A 0,06 0,08 0,03 0,15 0,08
B 0,49 0,63 0,70 0,40 0,56
C 0,43 0,21 0,23 0,40 0,32
D 0,02 0,08 0,03 0,05 0,04
Součet 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Vzhledem k provozním nákladům vychází nejlépe koncept B.
Tabulka 12: Normalizovaná matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké nároky na obsluhu
Kritérium A B C D Průměr
A 0,06 0,11 0,05 0,02 0,06
B 0,31 0,53 0,60 0,41 0,46
C 0,38 0,26 0,30 0,49 0,36
D 0,25 0,11 0,05 0,08 0,12
Součet 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Vzhledem na montáž a demontáž vychází nejlépe koncept B.
Tabulka 13: Normalizovaná matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízké provozní náklady
Kritérium A B C D Průměr
A 0,05 0,03 0,07 0,03 0,04
B 0,35 0,19 0,16 0,35 0,26
C 0,45 0,74 0,65 0,53 0,59
D 0,15 0,05 0,11 0,09 0,10
Součet 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Vzhledem k přesnosti měření vychází nejlépe koncept C.
Tabulka 14: Normalizovaná matice párového porovnání konceptů podle kritéria nízký počet dílů
Kritérium A B C D Průměr
A 0,05 0,03 0,03 0,09 0,05
B 0,32 0,18 0,42 0,12 0,26
C 0,26 0,06 0,14 0,20 0,17
D 0,37 0,73 0,42 0,60 0,53
Součet 1,00 1,09 1,00 1,00 1,00
Vzhledem k ztrátám energie vychází nejlépe koncept C.
6.3.5. Vyhodnocení
Tabulka 15: Relativní vektory priorit
Koncept Relativní priority podle kritérií Kritérium Relativní priorita
I II III IV V I 0,44
A 0,09 0,08 0,06 0,04 0,05 II 0,1
B 0,32 0,56 0,46 0,26 0,26 III 0,07
C 0,56 0,32 0,36 0,59 0,17 IV 0,25
D 0,04 0,04 0,12 0,10 0,53 V 0,15
Tabulka 16: Vyhodnocení priorit (konceptů)
Koncept Výpočet priority Priorita Pořadí
A (0.09x0.44) + (0.08x0.1) + (0.06x0.07) + (0.04x0.25) + (0.05x0.15)
0.0693 4
B (0.32x0.44) + (0.56x0.1) + (0.46x0.07) + (0.26x0.25) + (0.26x0.15)
0.333 2
C (0.56x0.44) + (0.32x0.1) + (0.36x0.07) + (0.59x0.45) + (0.17x0.15)
0.4766 1
D (0.04x0.44) + (0.04x0.1) + (0.12x0.07) + (0.10x0.45) + (0.53x0.15)
0.1345 3
Součet 1
Po provedení analýzy za pomoci metody rozhodovací matice, byl jako nejlepší koncept, pro uspokojivé splnění zvolených kritérií, vyhodnocen koncept C. Následně bude konstrukce konceptu realizována a na základě výpočtových metod optimalizována.
Pro výpočty potřebné k zhotovení analýzy byl použit software Microsoft Excel.
7. Prvotní konstrukce a modelování
Na základě předchozích analýz a metodik bude realizována prvotní detailní konstrukce vítězného konceptu C. To vše provedeno za pomoci softwaru Autodesk Inventor 2018. Rám je sestaven z hustších hliníkových profilů. Ty mají dobrou profilovou pevnost, snadno se instalují a díky drážkám umožňují připevnění libovolného zařízení ke konstrukci. Byl použit jeden servomotor o výkonu 7,5-22kW s nominální rychlostí 1500 ot/min a výstupním momentem 47,8 až 140 Nm. Vahadlo je opatřeno dvěma lineárními vedeními s profilovou tyčí.
Obrázek 34: Rolna [vlastní]
Obrázek 35: Pohonná soustava [vlastní]
Obrázek 36: Montáž vačky [vlastní]
Obrázek 37: Způsob připevnění vozíku k rámu [vlastní]
Obrázek 38: Rám [vlastní]
8. Přezkoumání konstrukčního návrhu
Tato kapitola se bude zabývat optimalizováním zvolené konstrukce zařízením pro zajištění a ověření správné funkce pulzátoru. Všechny zde uvedené metody jsou vhodné pro použití hlavně v oblasti konstrukce inovovaných výrobků sériové výroby.
Urychluje se tak doba uvedení výrobku na trh, snižování komplexity, zvýšení produktivity, snížení ceny a zvýšení spolehlivosti. Pro přezkoumání konstrukčního návrhu byly použity následující metody: Design for X, FMEA-D (Failure Mode and Effects Analysis - Design)
8.1. Metoda DFX
V inovačním procesu se při fázi detailního konstruování nestačí zabývat pouze potřebami zákazníka, ale je potřeba také zajistit nízké výrobní náklady, spolehlivost, snadnou údržbu atd. Mezi vhodné metody, jak těchto nároků lze docílit, jsou metody Design for X (DFX), kde X označuje oblast použití metody. Cílem těchto metod je docílit co nejefektivnějšího modelu reálného dílu a snížení nákladů na zhotovení výrobku.[20]
8.1.1. Metoda Design For Maintainability/Serviceability
Problematika se týká jednoúčelového testovacího zařízení a né standartního velkosériového výrobku, proto použití zmíněných metod je velmi omezeno. Bylo použito konstruování s ohledem na snadnou údržbu. Cílem této metody je snížení počtu potřebných nástrojů pro údržbu, zajištění snadného přístupu a snadné kontroly a další.
Upraveno bylo následující (obr:39) [20]
Obrázek 39: Původní řešení (vlevo), řešení po DFX (vpravo) [vlastní]
8.1.2. Metoda Design For Assembly
Tato metoda se zabývá montáží. U velkosériového produktu je montáž velice nákladný a zdlouhavý proces při tvorbě výrobku a proto je potřeba tyto negativní vlivy eliminovat. V tomto konkrétním případě je tato metoda omezená, nikoliv nepoužitelná.
Zákazník si konstrukci bude sestavovat sám a tak je potřeba aby montáž byla co nejjednodušší. Bylo tak aplikováno na základně držící pouzdra ložisek. Původní řešení obsahovalo příliš mnoho součástí a jeho kompletace byla složitá, i když bylo levné.
Druhé řešení obsahuje méně součástí a kompletace je značně jednodušší, výroba bude ovšem nákladnější (obr:40). [20]
Obrázek 40: Původní řešení (vpravo), řešení po DFX (vlevo) [vlastní]
8.2. Metoda FMEA-K
FMEA-D (Failure Mode and Effects Analysis) je metoda, díky které je možné si ujasnit a odhalit možné chyby, ke kterým by mohlo u výrobku dojít. Analýza zkoumá příčiny, důsledky a závažnost poruch, které mohou ovlivnit spolehlivost. Jednodušeji si pokládáme otázku, jak se ponaučit ze vzniklé chyby. Metoda se provádí tabulkovou formou s předem definovanými sloupci (kontrolní list). Do tohoto listu uvádíme všechny zmíněné parametry, které navrhují experti. Chyby se následně hodnotí a určuje se jejich pravděpodobnost výskytu. Při dosažení vysoké pravděpodobnosti se volí postup pro snížení rizika (testy, výpočty, analýzy) a poté se celá chyba znova přehodnotí. Základní nedostatky jsou brány z Funkčních diagramů. Analýza proběhne na klíčových částech subsystému (obr: 41). [16]. Výsledky jsou zobrazeny v tabulce.
(tab:17)
Obrázek 41: Pohonná soustava [vlastní]
Tabulka 17: FMEA-K
8.3. Výpočtová část
V této části budou provedeny výpočty a analýzy konstrukce a dílčích problémových míst vyplývajících i z metody FMEA. Výpočty pomohou zajistit a zaručit bezpečnost součástí pro provoz a optimální parametry počítaných dílů.
8.3.1. Výpočet hřídele
Obrázek 42: Schéma zatížení hřídele [vlastní]
Zadané hodnoty:
L1 = 76.2 [mm], L2 = 177.3 [mm], L3 = 230.5 [mm]
a = 0.1g [m/𝑠2] , m = 75 [kg]
mat.: 11 600, σDo= 100 [MPa], τDk = 125 [MPa]
Sílový rozbor Fs= 750 [N]
FD = m ∙ a = 75 ∙ (0.1 ∙ 9.81) =̇ 75 [N]
F = Fs+ FD = 750 + 75 = 825 [N]
Rovnice rovnováhy:
1) x:⃗⃗ 𝑅𝐵𝑥 = 0
2) ↑ y: RAy+ RBy− F = 0
3) ↑ M⃗⃗⃗⃗⃗⃗ : −RA By∙ 101.1 + F ∙ 154.3 = 0
(3) => RBy = 1259 N, (2) => RAy = 434 N
Výpočet ohybového momentu v místě B
MB= F ∙ (L3 − L2) = 825 ∙ (230.5 − 177.3) =̇ 44 [N]
Celková smyková síla:
Celkový ohybový moment:
Grafy vygenerovány programem Autodesk Inventor Professional 2016
Dimenzování hřídele:
Obrázek 43 – Kritická místa [vlastní]
Určení bezpečnosti hřídele v bodu B:
D:
Fs = 750 [N], Fh = 825 [N], Fd= 675 [N]Velikost ohybových momentů:
Moh= Fh∙ (L3 − L2) = 825 ∙ 53.2 = 43.89 [N ∙ m]
Mod= Fd∙ (L3 − L2) = 675 ∙ 53.2 = 35.91 [N ∙ m]
Mom= Fs∙ (L3 − L2) = 750 ∙ 53.2 = 39.90 [N ∙ m]
Napětí v ohybu:
σoh =Moh
Wo =32 ∙ Moh
π ∙ d3 =32 ∙ 43890
π ∙ 303 = 16.55 [MPa]
σod =Mod
Wo =32 ∙ Mod
π ∙ d3 =32 ∙ 35910
π ∙ 303 = 13.55 [MPa]
σom= Mom
Wo =32 ∙ Mom
π ∙ d3 = 32 ∙ 39900
π ∙ 303 = 15.05 [MPa]
σoa =σoh− σod
2 =16.55 − 13.55
2 = 1.5 [MPa]
Krouticí moment:
Potřebný krouticí moment lze odvodit z velikosti zatížení a excentru vačky.
e = 2 mm; 5mm; 10 mm; Fs = 750 N; φ = 90°
Obrázek 44: zatížení vačky [vlastní]
Fs∙ e = Mk∙ φ => Mk= Fs∙ e φ Mk2= 750 ∙ 2 ∙ 2
π = 955 [N ∙ mm]
Mk5= 750 ∙ 5 ∙ 2
π = 2387 [N ∙ mm]
Mk10 =750 ∙ 10 ∙ 2
π = 4775[N ∙ mm]
Pro výpočet volím nejvyšší hodnotu krouticího momentu.
Napětí v krutu:
τk=Mk
Wk= 16 ∙ Mk
π ∙ d3 = 16 ∙ 4775
π ∙ 303 = 0.9 [MPa]
Výkon motoru:
𝑃 = Mk ∙ ω = Mk ∙ 2 ∙ π ∙ n
60= Mk ∙ 2 ∙ π ∙f ∙ 60 60
Výpočet bude proveden na základě nejvyššího krouticího momentu a nejvyšší frekvence buzení f = 15 Hz.
P = 4.775 ∙ 2 ∙ π ∙15 ∙ 60
60 = 450 [W]
Součinitel vlivu velikosti napětí:
ν = 0.87
Součinitel jakosti povrchu:
η = 0.9
Výpočet meze únavy materiálu pro střídavý ohyb:
σco = 0.43 ∙ Rm∙ ν ∙ η = 0.43 ∙ 600 ∙ 0.87 ∙ 0.9 = 202 [MPa]
Součinitel bezpečnosti cyklického napětí v ohybu podle Sodeberga:
kσ = (σoa
σco+σom σF )
−1
= (1.5
202+ 15.05 1.4 ∙ 600)
−1
= 39 Součinitel bezpečnosti statického napětí v krutu:
kτ= τDk
τk = 125
0.9 = 139
Provedení bezpečnostní kontroly:
k = √kσ2 ∙ kτ2
kσ2 + kτ2 = √392∙ 1392
392 + 1392 = 37
k ≥ kp 37 > 12 po bezpečnostní stránce hřídel 𝐯𝐲𝐡𝐨𝐯𝐮𝐣𝐞
Určení minimálního průměru hřídele:
Minimální průměr hřídele bude určen ze vzorců pro bezpečnost v krutu a ohybu. Jelikož jde o experimentální zařízení, v jehož těsné blízkosti pracuje člověk hodnota bezpečnosti je zvolena kσ,τ = 12.
Z krouticího momentu:
kτ= τDk
τk = τDk∙ π ∙ d3 16 ∙ Mk
d = √16 ∙ Mk∙ kτ τDk∙ π
3
= √16 ∙ 4775 ∙ 6 120 ∙ π
3
= 10.5 mm
Z ohybového momentu kσ = σco
σoh= σco∙ π ∙ d3 32 ∙ Moh
d = √32 ∙ σoh∙ kσ σco∙ π
3
= √32 ∙ 43890 ∙ 6 202 ∙ π
3
= 23.7 mm
Minimální průměr byl zjištěn na základě zjednodušené úvahy, zahrnující pouze nevětší zatížení. Z vypočítaných namáhání a zvolené bezpečnosti byl vypočítán minimální průměr hřídele 23.7 mm a volím 25 mm.
Zpětná kontrola bezpečnosti pro hřídel d = 25 mm
kσ = (σoa
σco+σom σF )
−1
= (2.6
202+ 26.01 1.4 ∙ 600)
−1
= 23
kτ= τDk
τk = 125 1.56= 80
k = √kσ2 ∙ kτ2
kσ2 + kτ2 = √232∙ 802
232 + 802 = 22
k ≥ kp 22 > 12 po bezpečnostní stránce hřídel 𝐯𝐲𝐡𝐨𝐯𝐮𝐣𝐞
I pro menší hodnotu průměru hřídele je hodnota bezpečnosti vysoká. To je ovšem pozitivní, jelikož jde o experimentální zařízení, které obsluhuje člověk a je tak velice malá pravděpodobnost újmy na zdraví nebo vznik poruch vyžadující si nákladný servis.
8.3.2. Výpočet ložisek
Střední hodnota otáček:
nm = ∑ ni qi 100
k
i
Normy mají rozdílné požadavky na průběh testu. Hodnoty budou tedy vzaty z nejčastěji prováděného druhu testu trvajícího 70 min.
1Hz = 1 min, 4Hz = 2 min, 8Hz = 2 min, 10Hz = 2 min, 15Hz = 36 min
nm= 60. (1 ∙ 0.016 + 4 ∙ 0.032 + 8 ∙ 0.032 + 10 ∙ 0.032 + 15 ∙ 0.888) = 842 ot/min
Vstupní hodnoty:
n = 842 [ot ∙ min−1], Lh = 8760 [h], RBy = 1259 N, RAy = 434 N Předběžná volba ložiska A: YAR 205-2F (𝐂 = 𝟏𝟒𝟎𝟎𝟎 𝐍, 𝐂𝟎= 𝟕𝟖𝟎𝟎 𝐍) Předběžná volba ložiska B: YAR 206-2F (𝐂 = 𝟏𝟗𝟓𝟎𝟎 𝐍, 𝐂𝟎 = 𝟏𝟏𝟐𝟎𝟎 𝐍) Bod A:
PA= Fr = RAy = 401N
LhA= (C P)
p
∙ 106
60 ∙ n= (14000 401 )
3
∙ 106
60 ∙ 842= 842340 h Bod B:
PB= Fr = RBy = 1259N
LhB= (C P)
p
∙ 106
60 ∙ n= (19500 1259)
3
∙ 106
60 ∙ 842= 73546 h Ložiska vyhovují.
8.3.3. Výpočet těsných per
Obrázek 45: zatížení a rozměry pera [21]
Pero pro spojení hřídele se spojkou:
Volba pera pro průměr hřídele d = 25 mm volím ze strojnických tabulek:
b = 8; h = 7; t= 4.1; t1 = 2.9; l =32; R = 0.4 mm; pD = 120 MPa; τDS = 60 MPa Síla působící na pero od náboje:
F2 = Mk d 2 +
t1 2
= 4775
25 2 +
2.9 2
= 342 N
Tlak působící na kontaktní plochu od náboje:
p2 = F2
l´ ∙ t1 = 342
24 ∙ 2.9= 4.9 < 120 MPa Síla působící na pero od hřídele:
F1 = Mk d 2− t
2
= 4775
25
2 −4.1
2
= 457 N
Tlak působící na kontaktní plochu od hřídele:
p1 = F1
t ∙ l ≤ pD => 457
4.1 ∙ 32= 3.5 < 120 MPa Kontrola na střih:
τS= 2 ∙ Mk
d ∙ l ∙ h= 2 ∙ 4775
25 ∙ 32 ∙ 7= 1.7 MPa < 60 MPa Zvolené pero vyhovuje!
Pero pro spojení hřídele se vačkou:
Volba pera pro průměr hřídele d = 30 mm volím ze strojnických tabulek:
b = 8; h = 7; t= 4.1; t1 = 2.9; l =20; R = 0.4 mm; pD = 120 MPa; τDS = 60 MPa Síla působící na pero od náboje:
F2 = Mk d 2 +
t1 2
= 4775
30 2 +
2.9 2
= 290 N
Tlak působící na kontaktní plochu od náboje:
p2 = F2
l´ ∙ t1 = 290
12 ∙ 2.9= 8.3 < 120 MPa Síla působící na pero od hřídele:
F1 = Mk d 2 −
t 2
= 4775
30 2 −
4.1 2
= 369 N
Tlak působící na kontaktní plochu od hřídele:
p1 = F1
t ∙ l ≤ pD => 369
4.1 ∙ 20= 4.5 < 120 MPa Kontrola na střih:
τS= 2 ∙ Mk
d ∙ l ∙ h= 2 ∙ 4775
30 ∙ 20 ∙ 7= 2.3MPa < 60 MPa Zvolené pero vyhovuje!
8.3.4. Analýza rámu jeřábu
Byla provedena statická analýza rámové konstrukce zdvihacího zařízení s cílem, zjistit únosnost a deformace rámu zdvihacího zařízení při maximálním zatížení (obr:46). Závaží o hmotnosti max 75 kg je zvedáno pákou a lanem přes soustavu kladek. Při tom vznikají silová zatížení namáhající konstrukci (obr:47,50). Byly zjištěny parametry konstrukce a sestaven výpočtový model. Po zavedení silových účinků a okrajových podmínek byla provedena analýza i interpretace výsledků. Analýza byla provedena v Autodesk Inventro Professional 2018.
Obrázek 46: Schéma zatížení rámu [vlastní]
Výpočet zatížení v prvním uzlu rámu
Obrázek 47: Silové účinky v prvním uzlu [vlastní]
Dána síla od závaží: F1 = 750 [N]
Určení výsledné síly:
FV1= √F12+ F12− 2 ∙ F12∙ cos (47°) = √7502+ 7502 − 2 ∙ 7502 ∙ cos (47°) FV1= 598 [N]
Výpočet potřebných úhlů
Obrázek 48: Zjištění úhlu α [vlastní]
Fv1
sin (47°)= F1
sin (α)= 598
sin (47°)= 750 sin (α) sin (α) =750
598∙ sin (47°) = 66.5°
Výpočet sil působících na rám
Obrázek 49: Zjištění zatížení [vlastní]
sin(66.5°) =Fvz1
Fv1 => Fvz1 = sin(66.5°) ∙ 598 = 548 [N]
cos(66.5°) =Foh1
Fv1 => Foh1 = cos(66.5°) ∙ 598 = 238 [N]
Výpočet zatížení v druhém uzlu rámu
Obrázek 50: Silové účinky v druhém uzlu [vlastní]
Dána síla od závaží: F1 = 750 [N]
Určení výsledné síly:
FV2= √F12+ F12− 2 ∙ F12∙ cos (129°) = √7502+ 7502 − 2 ∙ 7502 ∙ cos (129°) FV1= 1354 [N]
Výpočet potřebných úhlů
Obrázek 51: Zjištění úhlu α [vlastní]
Fv2
sin (129°)= F1
sin (α)= 1354
sin (129°) = 750 sin (α) sin (α) = 750
1354∙ sin (129°) = 25.5°
Výpočet sil působících na rám
Obrázek 52: Zjištění zatížení [vlastní]
ψ = 25.5° − 4° = 21.5°
sin(21.5°) =Foh2
Fv2 => Foh2 = sin(21.5°) ∙ 1354 = 496 [N]
cos(66.5°) =Fvz2
Fv2 => Fvz2 = cos(21.5°) ∙ 1354 = 1260 [N]
Statická analýza rámu jeřábu
Obrázek 53: Deformace rámu při zatížení 750N je 1.623mm[vlastní]
