Pohon pohyblivého schodiště

Pohon pohyblivého schodiště

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Milan Štípek

Vedoucí práce: Prof. Ing. Ladislav Ševčík, CSc.

Moving staircase driving system

Bachelor thesis

Study programme: B2301 – Mechanical Engineering Study branch: 2301R000 – Mechanical Engineering

Author: Milan Štípek

Supervisor: Prof. Ing. Ladislav Ševčík, CSc.

Liberec 2017

ORIGINÁLNÍ

ZADÁNÍ

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje 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 mého ročníkového projektu pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jeho využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Poděkování

Rád bych na tomto místě poděkoval mému vedoucímu práce Prof. Ing. Ladislavu Ševčíkovi, CSc. za obětavý přístup při vedení této bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat za cenné rady Ing. Rudolfovi Martonkovi, Ph.D. V neposlední řadě mé rodině za podporu při celém studiu.

Abstrakt

Předmětem této práce je návrh kompletního pohonného systému pohyblivých schodů pro převoz lidí, s parametry výkonu 15 kW, výstupní otáčky 900 ot. /min a redukované otáčky 450 ot. /min, který zahrnuje elektromotor, spojku, převodovou skříň, řemenový převod a výstupní řetězová kola. Tyto prvky jsou umístěny na svařovaném rámu, na kterém je zajištěno napínání řemenů.

Tato práce se dále zabývá kompletní výpočtovou zprávou, která je doplněna výkresovou dokumentací vybraných dílů, 3D modelem pohonu, sestavou převodovky a celkovou sestavou pohonného systému. Výstupní hřídel je kontrolována pomocí metody konečných prvků.

Klíčová slova:

Pohyblivé schody, převodová skříň, metoda konečných prvků, hřídel, řemenový převod

Abstract

The subject of this thesis is concerned with a complete project of a moving staircase driving system for transport of people with parameters of output 15 kW, output speed 900 rpm and reduced 450 rpm, which includes an electric motor, clutch, gearbox, belt drive and output chain wheels. These elements are located on a welded frame on which belt tensioning is ensured.

Further, this thesis deals with a complete calculation report, supplemented by drawing documentation of selected parts, a 3D model of the drive, gearbox assembly and complete assembly of the drive system. The output shaft is controlled by the finite element method.

Keywords:

Moving staircase, gearbox, finite element method, shaft, belt drive

Obsah

Úvod ...18

1 Cíl práce ...19

2 Teorie eskalátorů ...21

2.1 Charakteristika ...21

2.2 Historie ...22

2.3 Přehled pohyblivých schodů ...22

2.4 Rozdělení pohonů ...23

2.4.1 Pohon stroje a převodovky ...23

2.5 Potenciální řešení...25

2.6 Zvolené řešení ...25

3 Výpočtová zpráva mechanismu ...26

3.1 Předběžné schéma převodovky ...26

3.2 Základní parametry ...26

3.2.1 Celkový převodový poměr ...26

3.2.2 Návrh počtu zubů ...26

3.2.3 Převodové poměry ...27

3.2.4 Výsledné otáčky...27

3.2.5 Krouticí momenty ...27

3.3 Volba materiálu ...28

3.4 Výpočet modulů ...28

3.5 Návrh kuželového soukolí se šikmými zuby...29

3.6 Návrh čelního soukolí se šikmými zuby ...31

3.7 Výpočet sil v ozubení ...32

3.8 Řemenový převod ...33

3.9 Výpočet reakcí v ložiskách ...35

3.9.1 Reakce na hřídeli 1 ...35

3.9.2 Reakce na hřídeli 2 - redukované ...37

3.9.3 Reakce na hřídeli 2 – neredukované ...39

3.9.4 Reakce na hřídeli 3 – redukované...41

3.9.5 Reakce na hřídeli 3 – neredukované ...43

3.10 Návrh ložisek ...45

3.10.1 Návrh ložisek na hřídeli 1 ...45

3.10.2 Návrh ložisek na hřídeli 2 ...47

3.10.3 Návrh ložisek na hřídeli 3 ...49

8

3.14 Kontrola na vruby ...56

3.14.1 Pevnostní kontrola vstupní hřídele ...56

3.14.2 Pevnostní kontrola předlohové hřídele ...58

3.14.3 Pevnostní kontrola výstupní hřídele ...59

4 Metoda konečných prvků...61

5 3D Model ...62

6 Ekonomické zhodnocení...64

6.1 Vlastní náklady na výrobku ...64

6.2 Další položky pro stanovení konečné ceny pro zákazníka ...66

7 Závěr ...67

Seznam použité literatury ...70

Seznam obrázků

Obrázek 1 – Převodovka s jedním párem čelních ozubených kol [7] ...18

Obrázek 2 – Schéma pohyblivých schodů [12] ...21

Obrázek 3 – Paralelní s průběžnými rameny vedle sebe [11] ...22

Obrázek 4 – Křížové uspořádání ramen [11] ...22

Obrázek 5 – Umístění ramen nad sebou [11] ...23

Obrázek 6 – Průběžné ramena vedle sebe [11] ...23

Obrázek 7 – Externí pohon [9] ...24

Obrázek 8 – Interní pohon [9] ...24

Obrázek 9 – Modulární pohon [9] ...24

Obrázek 10 – Potenciální řešení – šnekový převod [9] ...25

Obrázek 11 – Schéma uspořádání převodové skříně ...26

Obrázek 12 – Synchronizační spojka [13] ...53

Obrázek 13 – Vstupní hřídel ...56

Obrázek 14 – Předlohová hřídel ...58

Obrázek 15 – Výstupní hřídel ...59

Obrázek 16 – Průběh napětí na výstupní hřídeli ...61

Obrázek 17 – Analýza MKP - Celkové posunutí ...61

Obrázek 18 – Převodová skříň a řemenový převod ...62

Obrázek 19 – Čelní ozubením se šikmými koly a výstupní hřídel ...62

Obrázek 20 – Synchronizační spojka a svařovaný rám ...62

Obrázek 21 – Napínání řemenu ...63

Obrázek 22 – Celková sestava ...63

10

Seznam tabulek

Tabulka 1 – Výkonnostní parametry ...20

Tabulka 2 – Souřadnice vstupní hřídele a výstupní hřídele...20

Tabulka 3 – Souhrn společných paramerů kuželového soukolí se šikmými zuby ...30

Tabulka 4 – Souhrn parametrů čelního soukolí se šikmými zuby...31

Tabulka 5 – Výdaje na součástky ...64

Tabulka 6 – Výdaje na přímé mzdy ...65

Tabulka 7 – Ostatní přímé náklady ...65

Seznam zkratek

nvstup [ot/min] vstupní otáčky n [ot/min] výstupní otáčky

nRED [ot/min] výstupní redukované otáčky ic [-] celkový převodový poměr

i [-] převodový poměr na jeden převod

z_2K [-] počet zubů kuželového soukolí se šikmými zuby z1K [-] počet zubů kuželového soukolí se šikmými zuby

z_2v [-] počet zubů čelního soukolí se šikmými zuby

z1v [-] počet zubů pastorku čelního soukolí se šikmými zuby

z_2Vred [-] počet zubů pastorku čelního redukovaného

soukolí se šikmými zuby

z_1Vred [-] počet zubů čelního redukovaného soukolí se

šikmými zuby

i_Ř [-] převodový poměr řemenového převodu

ik [-] převodový poměr kuželového soukolí se šikmými zuby

iv [-] převodový poměr čelního soukolí se šikmými zuby

M_KVSTUP [Nm] vstupní krouticí moment

M_K1 [Nm] krouticí moment na hřídeli č. 2 MK2 [Nm] krouticí moment na hřídeli č. 3

M_Kvýstup [Nm] krouticí moment na výstupu

Pvstup [kW] vstupní výkon

ωvstup [rad] vstupní obvodová rychlost

R_m [MPa] mez pevnosti v tahu Re [MPa] mez kluzu v tahu σ_{H_lim} [MPa] limitní napětí v dotyku

σF_lim [MPa] limitní napětí v ohybu

[-] součinitel poměrné šířky ozubení m_nk [mm] modul kuželových kol

mmt [mm] normálový modul kuželových kol m_te [mm] obvodový modul kuželových kol

12

mnvRED [mm] normálový modul čelních redukovaných ozubených kol

m_tRED [mm] čelní modul čelních redukovaných ozubených kol

β [°] úhel sklonu zubů

b [mm] šířka ozubení

δ1,2 [°] poloviční vrcholové úhly roztečných kuželů ε [-] součinitel trvání záběru

εα [-] součinitel trvání záběru εβ [-] součinitel trvání záběru

R_nma1^´ [mm] patní poloměr náhradního kuželového kola 1 Rnmb1´

[mm] základní poloměr náhradního kuželového kola 1 R_nma2^´ [mm] patní poloměr náhradního kuželového kola 2 R_nmb2^´ [mm] základní poloměr náhradního kuželového kola 2

an [mm] osová vzdálenost náhradních kol α_t [°] záběrový úhel

p_mt [mm] rozteč v tečném směru

βm [°] úhel sklonu zubů na středním průměru

Rnm1,2 [mm] roztečný poloměr náhradního kola

h_a [mm] výška zubu

αn [°] záběrový úhel

Σ [°] úhel os

a_v [mm] ekvivalentní středová vzdálenost an [mm] virtuální vzdálenost os

R_e [mm] vedlejší délka površky roztečného kužele R_m [mm] délka površky na středním kuželu

de [mm] vnější roztečný průměr d_m [mm] střední roztečný průměr dae [mm] hlavový průměr na konci

d_ai [mm] vnitřní hlavový průměr dfe [mm] vnější patní průměr A_e [mm] vzdálenost vrcholu

Ai [mm] vzdálenost vnitřního vrcholu δ_a [°] úhel hlavového kužele

δ_f [°] úhel patního kužele

h_e [mm] výška zubu

zv [ - ] náhradní počet zubů

dv [mm] ekvivalentní průměr stoupání d_va [mm] ekvivalentní vnější průměr

d_vb [mm] ekvivalentní průměr základní kružnice zn [ - ] náhradní počet zubů

d_n [mm] virtuální roztečný průměr d_an [mm] virtuální hlavový průměr

dbn [mm] virtuální průměr základní kružnice

D_1,2 [mm] roztečný průměr čelního ozubeného kola se šikmými zuby

D_a [mm] patní průměr čelního ozubeného kola se šikmými zuby

D_f [mm] hlavový průměr čelního ozubeného kola se šikmými zuby

p_t [mm] rozteč v čelní rovině a [mm] osová vzdálenost

pbt [mm] základní rozteč v čelní rovině

r_b [mm] poloměr základní kružnice čelního ozubeného kola se šikmými zuby

F_T1 [N] tečná síla kuželového kola se šikmými zuby 1 FA1 [N] axiální síla kuželového kola se šikmými zuby 1 F_R1 [N] radiální síla kuželového kola se šikmými zuby 1 Fσ1 [N] síla kuželového kola se šikmými zuby

Fβ1 [N] síla kuželového kola se šikmými zuby Fn1 [N] síla kuželového kola se šikmými zuby

F_T2 [N] tečná síla kuželového kola se šikmými zuby 2 FA2 [N] axiální síla kuželového kola se šikmými zuby 2 F_R2 [N] radiální síla kuželového kola se šikmými zuby 2

Ft [N] tečná síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby

Fn [N] síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby F_R [N] radiální síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby

F_A [N] axiální síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby

14

[MPa] dovolené napětí v ohybu W_k [mm³] průřezový modul v krutu

[ - ] relativní skluz

[mm] malý průměr řemenice

D [mm] velký průměr řemenice

[mm] úhel

[mm] úhel opásání řemenice L [mm] výpočtová délka řemene

L_A [mm] délka řemene

[mm] velikost profilu řemene F [N] užitečná obvodová síla

F₂ [N] síla řemene v nezatížené větvi F₁ [N] síla řemenu v zatížené větvi

FR [N] výsledná síla řemenového převodu

F_RKY [N] radiální síla kuželového ozubeného kola se šikmými koly v ose Y

F_TKZ [N] tečná síla kuželového kola se šikmými koly v ose Z

F_AKX [N] axiální síla kuželového kola se šikmými koly v ose X

a₁ [mm] vzdálenost mezi podporami A, B

b1 [mm] vzdálenost podpory B od kuželového kola se šikmými zuby

Re [mm] poloměr roztečné kružnice kuželového kola se šikmými zuby 1

RAX [N] reakce ložiska A v ose X R_AY [N] reakce ložiska A v ose Y RBY [N] reakce ložiska B v ose Y R_AZ [N] reakce ložiska A v ose Z

R_BZ [N] reakce ložiska B v ose Z

RA [N] výsledná reakce ložiska A R_B [N] výsledná reakce ložiska B

FAVX [N] axiální síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby v ose X

FTVZ [N] tečná síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby v ose Z

FRVY [N] radiální síla čelního ozubeného kola se šikmými zuby a v ose Y

R_e2 [mm] poloměr roztečné kružnice čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby

R_e3 [mm] poloměr roztečné kružnice kuželového se šikmými zuby kola 2

a2 [mm] vzdálenost podpory C od čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby

b2 [mm] vzdálenost čelního redukovaného ozubeného kola 2 se šikmými zuby

c2 [mm] vzdálenost kuželového kola se šikmými zuby 2 od podpory D

RCX [N] reakce ložiska C v ose X R_CZ [N] reakce ložiska C v ose Z R_CY [N] reakce ložiska C v ose Y RDY [N] reakce ložiska D v ose Y

R_DZ [N] reakce ložiska D v ose Z

RC [N] výsledná reakce ložiska C R_D [N] výsledná reakce ložiska D

d2 [mm] vzdálenost podpory C a čelního ozubeného kola se šikmými zuby

e2 [mm] vzdálenost čelního ozubeného kola se šikmými zuby od kuželového kola 2 se šikmými zuby

f2 [mm] vzdálenost kuželového kola 2 se šikmými zuby od podpory D

[N] poloměr roztečné kružnice čelního ozubeného kola se šikmými zuby

[N] poloměr roztečné kružnice kuželového kola 2 se šikmými zuby

a3 [mm] vzdálenost řemenice od podpory E

b₃ [mm] vzdálenost podpory E od čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby

c₃ [mm] vzdálenost čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby a podpory F

16

REX [N] reakce ložiska E v ose X R_EZ [N] reakce ložiska E v ose Z R_EY [N] reakce ložiska E v ose Y RFY [N] reakce ložiska F v ose Y

R_FZ [N] reakce ložiska F v ose Z

R_E [N] výsledná reakce ložiska E RF [N] výsledná reakce ložiska F

[N] poloměr roztečné kružnice čelního ozubeného kola se šikmými zuby

d₃ [mm] vzdálenost řemenice od podpory E

e3 [mm] vzdálenost podpory E od čelního ozubeného kola se šikmými zuby

f₃ [mm] vzdálenost čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby a podpory F

n_m [ot/min] střední hodnota otáček ni [ot/min] i-tá složka otáček q_i [%] četnost v procentech

p [ - ] koeficient pro kuličková ložiska (p=3)

P_m [N] střední hodnota zatížení při konstantních otáčkách Pi [N] i-tá složka zatížení

L_h [hod] životnost v hodinách

Co [mm] dynamická únosnost ložiska e [ - ] výpočtový součinitel

X [ - ] součinitel radiálního zatížení ložiska Y [ - ] součinitel axiálního zatížení ložiska

q1 [ % ] četnost využití čelního redukovaného ozubeného kola se šikmými zuby

q2 [ % ] četnost využití čelního neredukovaného ozubeného kola se šikmými zuby

b [mm] šířka ložiska

d [mm] průmět ložiska do roviny xy p_D [N/mm²] dovolený tlak

p [N/mm²] tlak

b_i [mm] šířka na jeden zub

ms [mm] modul ozubení – synchronizační spojka B [mm] šířka drážkové hřídele

f´ [mm] zkosení

l [mm] délka pera

M_o1 [Nm] ohybový moment v kritickém místě

M_k1 [Nm] krouticí moment

Rm [MPa] mez pevnosti

R_e [MPa] mez kluzu

d [mm] malý průměr hřídele D [mm] velký průměr hřídele

[mm] zaoblení vrubu

[ - ] součinitel velikosti [ - ] součinitel povrchu [ - ] součinitel tvaru

[ - ] součinitel vrubové citlivosti [ - ] vrubový součinitel

[MPa] dovolené napětí v ohybu [MPa] napětí v ohybu

[ - ] součinitel bezpečnosti

[MPa] dovolené napětí v krutu [MPa] napětí v krutu

[ - ] součinitel bezpečnosti

[ - ] celkový součinitel bezpečnosti

18

Úvod

Převodovka je strojní zařízení, které dokáže měnit a převádět točivý moment motoru, měnit počet otáček, umožňovat volnoběh motoru popřípadě změnu otáčení.

Změna točivého momentu a počtu otáček se dosahuje pomocí ozubených kol. [6], [7]

Obrázek 1 – Převodovka s jedním párem čelních ozubených kol [7]

U páru ozubených kol působí na větším ozubeném kole (větší rameno páky, více zubů) vždy větší točivý moment a menší počet otáček. Poměr r₂/r₁ odpovídá poměru počtu zubů z2 hnaného kola k počtu zubů hnacího kola z1, případně poměru počtu hnacích otáček n₁ k počtu hnaných otáček n₂. Tento poměr se nazývá převodový poměr i, a vyjadřuje stupeň změny točivého momentu a počtu otáček. [6], [7]

1 Cíl práce

Cílem této práce je navrhnout kompletní pohonný systém jezdících schodů.

Hlavním cílem je dosáhnout dvoustupňového převodu pro definované výkonové parametry, které zahrnují vstupní otáčky 1400 ot/min, výstupní otáčky 900 ot/min s alternativní redukcí na 450 ot/min, trvanlivost 8000 hod a vstupní výkon 15 kW.

Vstupní a výstupní hřídel převodové skříně má být umístěna v daných souřadnicích viz Tabulka 2. Tento převod by měl být zajištěn synchronizační spojkou mezi dvěma čelními soukolími se šikmými zuby, který by měl umožňovat redukci otáček na 50%.

Z důvodu malých rozměrů, jednoduchosti a malé náročnosti na zástavbu by měla být zvolena synchronizační spojka, která splňuje tyto požadavky. Elektromagnetická spojka je příliš náročná na zástavbu. Synchronizační spojku by mělo být možno ovládat pomocí pákového mechanismu.

V tomto pohonném systému je nutné navrhnout převodovou skříň s dvěma čelními soukolími se šikmými zuby a kuželové soukolí se šikmými zuby, která mají být poháněna elektromotorem. Důležitým bodem je návrh převodové skříně, která by měla zajišťovat uložení hřídelí, mazání olejem a bezproblémový chod. Převodová skříň by měla být vyráběna jako odlitek, u kterého je potřeba zajistit zkosení stěn pod patřičným úhlem a vyztužení žebry. Dále je potřeba zajistit víčka na výstupech z převodové skříně a použitím šroubových spojů zajistit spodní a horní část převodové skříně, aby nedošlo k nadzvednutí. Elektromotor by měl být použit asynchronní trojfázový s kotvou na krátko od společnosti Siemens, který se zároveň nejčastěji používá k pohonu pohyblivých schodů [8]. Spojení mezi výstupní hřídelí z převodovky na hřídel s výstupní řemenicí má být zajištěno řemenovým převodem. U řemenového převodu je nutné zajistit napínání. Velikou výhodou je, že při přetížení stroje se řemenový převod chová jako pojistný člen a nedojde tedy k poškození jednotlivých součástí. Přenos výkonu mezi elektromotorem a převodovou skříní bude zajištěn kotoučovou spojkou. Vše má být umístěno na svařovaném rámu, který by měl být ideálně vyroben z normalizovaných profilů, což je nejekonomičtější způsob. Celý pohonný systém bývá umístěn v horní části konstrukce pohyblivých schodů, popřípadě přímo ve strojovně [8].

U jednotlivých součástí je nutné, aby splňovaly bezpečnost, životnost a aby byly vyrobitelné.

20

Tabulka 1 – Výkonnostní parametry

Výkonové parametry Hodnoty

Vstupní otáčky 1400 ot/min Výstupní otáčky 900 ot/min

Vstup Spojka

Výstup Řemenový převod

Požadovaná trvanlivost 8000 hod

Vstupní výkon 15 kW

Přídavná vlastnost Alternativní redukce výstupních otáček na 50 %

Tabulka 2 – Souřadnice vstupní hřídele a výstupní hřídele

Souřadnice Hodnoty

Xa 100 mm

Ya 0

Za 0

Xb -600 mm

Yb -600 mm

Zb 0

2 Teorie eskalátorů

2.1 Charakteristika

Pohyblivé schody slouží ke kontinuální dopravě osob v šikmém nebo vodorovném směru. Jejich používáním se jednak zvětšuje pohodlí dopravovaných osob, jednak se řeší dopravní problémy v budovách nebo jiných objektech. Mají své opodstatnění všude, kde dochází k pohybu velkého počtu osob a je žádoucí jejich pohyb určitým způsobem usměrnit. Všechny osoby jsou dopravovány stejnou rychlostí, kdežto při chůzi se některé osoby pohybují rychleji, některé pomaleji, takže větší skupina osob v omezeném prostoru je nucena přizpůsobit svou rychlost nejpomalejšímu chodci. Možnosti použití těchto zařízení jsou neobyčejně široké. Je možné trvale instalovat v administrativních budovách, v obchodních centrech, hotelích, ve stanicích hromadné dopravy, v odbavovacích prostorech letišť, v podchodech pro pěší, ve sportovních a kulturních prostorech atd. [8]

Obrázek 2 – Schéma pohyblivých schodů [12]

Pohyblivé schody slouží ke kontinuální dopravě osob mezi dvěma místy horizontálně i vertikálně vzdálenými, směr dopravy je tedy šikmý s úhlem sklonu 30 nebo 35 . Úhel sklonu 35 se používá převážně u eskalátorů v obchodních domech.

Pohyblivé schody patří mezi článkové dopravníky řetězové. [8]

22

2.2 Historie

Princip pohyblivých schodů je znám již od konce minulého století. Idea pohyblivých schodů vznikla z požadavku racionalizace dopravy osob ve velkých obchodních domech, které byly zakládány koncem 19. stol. v USA i v Evropě. První eskalátor předvedla veřejnosti americká firma Otis Elevator Co. na světové výstavě v Paříži v r. 1900. Roku 1902 byl princip princip pohyblivých schodů patentován v Německu a o 4 roky později byl první eskalátor v Evropě instalován v obchodním domě Wertheim v Berlíně. Dobré zkušenosti s eskalátory záhy vzbudily myšlenku použít tohoto dopravního prostředku pro vertikální přepravu osob ve veřejných dopravních zařízeních. První pohyblivé schody k tomuto účelu byli instalovány v roce 1911 v londýnské podzemní dráze ve stanici Earl´s Court. [8]

2.3 Přehled pohyblivých schodů

Pohyblivé schody paralelní s průběžnými rameny vedle sebe

Obrázek 3 – Paralelní s průběžnými rameny vedle sebe [11]

Pohyblivé schody s křížovým uspořádáním ramen

Obrázek 4 – Křížové uspořádání ramen [11]

Pohyblivé schody s rameny umístěnými nad sebou

Obrázek 5 – Umístění ramen nad sebou [11]

Pohyblivé schody s průběžnými rameny vedle sebe

Obrázek 6 – Průběžné ramena vedle sebe [11]

2.4 Rozdělení pohonů

2.4.1 Pohon stroje a převodovky

Pohony pro pohyblivé schody je možné rozdělit do tří kategorií. Jedná se o externí, interní a modulární pohony. Jejich konkrétní realizace jsou vyobrazeny na obrázcích 7, 8 a 9.

24 Externí pohon

Obrázek 7 – Externí pohon [9]

Interní motor

Obrázek 8 – Interní pohon [9]

Modulární pohon

Obrázek 9 – Modulární pohon [9]

2.5 Potenciální řešení

Mechanický převod mezi motorem a hnací řetězkou primárního řetězového převodu může být tvořen šnekovou skříní. Na převodovou skříň se kladou velké nároky. Účinnost skříně by měla být co největší. [8]

Obrázek 10 – Potenciální řešení – šnekový převod [9]

2.6 Zvolené řešení

Řešení pohonného systému je zvolena dvoustupňová převodovka, kde je zajištěn převod na nižší otáčky pomocí synchronizační spojky, která je umístěna mezi dvěma čelními soukolími s šikmými zuby na předlohové hřídeli z důvodu nižších sil a krouticích momentů. Na výstup z převodovky je dále napojen řemenový převod, který pohání výstupní hřídel s řetězovými koly.

Výstupní hřídel je uchycena dvěma ložiskovými domky přichycenými k spodní části svařovanému rámu. Horní část svařovaného rámu slouží k napínání řemene.

26

3 Výpočtová zpráva mechanismu

3.1 Předběžné schéma převodovky

Obrázek 11 – Schéma uspořádání převodové skříně

3.2 Základní parametry

3.2.1 Celkový převodový poměr

Celkový převodový poměr

(1)

Převodový poměr na jeden převod

(2)

3.2.2 Návrh počtu zubů

Volba počtu zubů kuželového soukolí se šikmými zuby

Volba počtu zubů u čelního neredukovaného soukolí se šikmými zuby

Volba počtu zubů u čelního redukovaného soukolí se šikmými zuby

3.2.3 Převodové poměry

Převodový poměr kuželového soukolí se šikmými zuby

(3)

Převodový poměr čelního neredukovaného soukolí se šikmými zuby

(4)

Převodový poměr čelního redukovaného soukolí se šikmými zuby

(5)

Převodový poměr řemenového převodu

3.2.4 Výsledné otáčky

Výsledné otáčky s redukcí otáček

(6)

Výsledné otáčky bez redukce otáček

(7)

3.2.5 Krouticí momenty

28

Vstupní krouticí moment

(8)

Krouticí moment na hřídeli 2

(9)

Krouticí moment na hřídeli 3

(10)

Výstupní krouticí moment

(11)

3.3 Volba materiálu

Pro pastorek

materiál 14 220.4 [1]

3.4 Výpočet modulů

Návrh modulu kuželového soukolí se šikmými zuby

°

(12)

° (13)

(14)

(15)

Návrh modulu čelního neredukovaného soukolí se šikmými zuby

°

(16)

° (17)

Návrh modulu čelního redukovaného soukolí se šikmými zuby

°

(18)

° (19)

3.5 Návrh kuželového soukolí se šikmými zuby

Výpočet součinitele trvání záběru

(20)

(21)

(22)

30

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

Tabulka 3 – Souhrn společných paramerů kuželového soukolí se šikmými zuby

KUŽELOVÉ SOUKOLÍ SE ŠIKMÝMI ZUBY

kolo1 kolo2 veličiny

δ 41,785 48,215 [˚] poloviční vrcholové úhly roztečných kuželů

ß_m 15 [˚] úhel sklonu zubů na středním průměru

R_m1 27,198 30,436 [mm] roztečný poloměr kola

m_tm 1,295 [mm] normálový modul

R'_nm1 36,476 45,677 [mm] roztečný poloměr náhradního kola R'_nma 38,226 47,427 [mm] patní poloměr náhradního kola

α_t 20,647 [˚] záběrový úhel

α_n 20 [˚] záběrový úhel

R'_nmb 34,133 42,744 [mm] základní poloměr náhradního kola a_n 82,15 [mm] osová vzdálenost virtuálních kol

p_tm 5,692 [mm] rozteč

ε_α 1,651 [ - ] součinitel trvání záběru

ε_ß 0,847 [ - ] součinitel trvání záběru

b 18 [mm] šířka ozubení

ε 2,498 [ - ] součinitel trvání záběru

m_te 1,537 [mm] obvodový modul

3.6 Návrh čelního soukolí se šikmými zuby

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

°

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

Tabulka 4 – Souhrn parametrů čelního soukolí se šikmými zuby

ČELNÍ SOUKOLÍ SE ŠIKMÝMI ZUBY kolo 1 kolo 2

32

D_a 106,028 mm 125,439 mm patní průměr D_f 100,403 mm 119,814 mm hlavový průměr

b 51,764 mm šířka ozubení

a 113,233 mm osová vzdálenost

α_n 20° úhel profilu

α_t 20,65° záběrový úhel

r_b 48,439 mm 57,521 mm poloměr základní kružnice r_a 53,014 mm 62,720 mm poloměr patní kružnice p_bt 3,804 mm základní rozteč v čelní rovině

ε_α 1,739 součinitel trvání záběru

ε_β 3,262 součinitel trvání záběru

p_t 4,066 mm rozteč

ε 5,002 součinitel trvání záběru

3.7 Výpočet sil v ozubení

Kuželové soukolí se šikmými zuby - kolo 1

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

Kuželové soukolí se šikmými zuby - kolo 2

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

Čelního redukovaného soukolí se šikmými zuby

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

Čelního neredukovaného soukolí se šikmými zuby

(59)

(60)

(61)

(62)

(63)

3.8 Řemenový převod

Dáno: i = 1,23, a = 600mm , f = 0,8, d = 200 mm Výpočtová délka řemene

(64)

°

Průměr řemenice

34 Úhly opásání

β

(66)

° ° (67)

° (68)

° (69)

Vnější délka řemene volím úzký řemen SPA

(70)

Výpočet sil

(71)

(72)

(73)

(74)

(75)

Úhel odklonu síly F_R je velice malý, proto je tato hodnota zanedbána S ohledem na otáčky a průměr řemenice jsou zvoleny 3 řemeny

3.9 Výpočet reakcí v ložiskách

3.9.1 Reakce na hřídeli 1

Schéma hřídele č. 1

Dáno:

Složky v ose:

(76)

(77)

(78)

Momenty kolem osy:

(79)

(80)

(81)

36

(83)

(84)

(85)

(86)

Výsledné reakce:

(87)

(88)

Graf

Smyková síla

Ohybový moment

3.9.2 Reakce na hřídeli 2 - redukované

Schéma hřídele č. 2 - redukované

Dáno:

Složky v ose:

(89)

(90)

(91)

Momenty kolem osy:

(92)

(93)

(94)

38

(96)

(97)

(98)

(99)

Výsledné reakce

(100)

(101)

Grafy

Smyková síla

Ohybový moment

3.9.3 Reakce na hřídeli 2 – neredukované

Schéma hřídele č. 2 - neredukované

Dáno:

Složky v ose:

(102)

(103)

(104)

Momenty kolem osy:

(105)

(106)

40 Vyjádření reakcí

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

Výsledné reakce

(113)

(114)

Grafy

Smyková síla

Ohybový moment

3.9.4 Reakce na hřídeli 3 – redukované

Schéma hřídele č. 3 - redukované

Dáno:

Složky v ose:

(115)

(116)

(117)

Momenty kolem osy:

(118)

(119)

(120)

Vyjádření reakcí

(121)

42

(123)

(124)

(125)

Výsledné reakce

(126)

(127)

GRAFY Smyková síla

Ohybový moment

3.9.5 Reakce na hřídeli 3 – neredukované

Schéma hřídele č. 3 - neredukované

Dáno

Složky v ose:

(128)

(129)

(130)

Momenty kolem osy:

(131)

(132)

(133)

Vyjádření reakcí

(134)

44

(136)

(137)

(138)

Výsledné reakce

(139)

(140)

Grafy

Smyková síla

Ohybový moment

3.10 Návrh ložisek

Během používání bude pouze v ranní a odpolední „špičce“ zařazen neredukovaný (rychlejší) převod. Jsou uvažovány dva stavy, ranní 5:30 – 8:00 a odpolední 14:00 – 16:30. Redukovaný převod je zařazen mimo tyto časy, kde je dostačující poloviční rychlost eskalátoru, tzn. redukovaný 19 hodin (79,17 %), neredukovaný převod zbylých 5 hodin (20,83 %). Tento fakt je zohledněn při návrhu ložisek.

Střední hodnota otáček

(141)

Střední hodnota zatížení při změně otáček

(142)

Střední hodnota zatížení při konstantních otáčkách

(143)

Ložiska jsou vybírány z řady jednořadých kuličkových

3.10.1 Návrh ložisek na hřídeli 1

LOŽISKO A:

Zvolím typ ložiska 6306 Dáno:

46

(144)

á í í

(145)

(146)

(147)

LOŽISKO B:

Zvolím typ ložiska 6308 Dáno

(148)

(149)

(150)

(151)

3.10.2 Návrh ložisek na hřídeli 2

Na hřídeli 2 se projeví řazení z redukovaného soukolí na neredukované, které mění zatížení ložiska

LOŽISKO C:

Dáno:

Redukované

Zvolím typ ložiska 6307

(152)

(153)

(154)

(155)

Neredukované

Zvolím typ ložiska 6307

(156)

48

(158)

(159)

(160)

LOŽISKO D:

Dáno:

Redukované

Zvolím typ ložiska 6307

(161)

(162)

(163)

(164)

Neredukované

Zvolím typ ložiska 6307

(165)

(166)

(167)

(168)

(169)

3.10.3 Návrh ložisek na hřídeli 3

Na hřídeli 3 se projeví řazení z redukovaného soukolí na neredukované, kde se s rychlostí otáčení mění i zatížení ložiska

LOŽISKO E:

Dáno:

50 Redukované

Zvolím typ ložiska 6307

(170)

(171)

(172)

(173)

Neredukované

Zvolím typ ložiska 6307

(174)

(175)

(176)

(177)

Výpočet středních otáček

(178)

Střední hodnota zatížení při změně otáček

(179)

(180)

LOŽISKO F:

Dáno:

Redukované

Zvolím typ ložiska 6306

(181)

(182)

(183)

(184)

Neredukované

52

(185)

(186)

(187)

(188)

Výpočet středních otáček

(189)

Střední hodnota zatížení při změně otáček

(190) Volím LOŽISKO 6306

(191)

3.11 Kontrola kluzných ložisek

Kontrola na tlak LOŽISKO 1

Dáno:

Volím materiál DU^TM (ocel + slin. bronz + PTFE + Pb)

(192)

LOŽISKO VYHOVUJE LOŽISKO 2

Dáno:

Volím materiál DU^TM (ocel + slin. bronz + PTFE + Pb)

(193) LOŽISKO VYHOVUJE

3.12 Návrh synchronizační spojky

Synchronizační spojka je schopná spojovat zubovou spojkou hřídele s velkým rozdílem otáček. Skládá se ze dvou spojek, ze zubové spojky a třecí kuželové spojky.

[7] Synchronizační spojku umístím na hřídel v pořadí druhou, protože zde působí menší krouticí moment než na hřídeli třetí

54 VÝPOČET PŘÍMÉHO OZUBENÍ

Dáno:

(194)

(195)

(196)

(197)

Výpočet drážkové hřídele

Volím rovnoboké drážkování 8x36x45 ČSN 01 4942

Kontrola drážkové hřídele

(198)

VYHOVUJE

3.13 Návrh pera

Návrh pera na hřídeli 1

(199) volím PERO 8x7x16 ČSN 02 2562

Návrh pera na hřídeli 2

(200) volím PERO 10x8x16 ČSN 02 2562

Návrh pera na hřídeli 3

(201) volím PERO 10x8x36 ČSN 02 2562

(202) volím PERO 10x8x36 ČSN 02 2562

56

3.14 Kontrola na vruby

3.14.1 Pevnostní kontrola vstupní hřídele

Kontrola je provedena u osazení, kde je umístěno ložisko

Obrázek 13 – Vstupní hřídel

Pro materiál 14220

Kontrola na střídavý ohyb

(203)

Mo1 = 78,612 Nm

(204)

(205)

(206)

(207)

(208)

Kontrola na statický krut

(209)

(210)

(211)

Celková bezpečnost

(212)

58

3.14.2 Pevnostní kontrola předlohové hřídele

Kontrola je provedena u pera pod kuželovým kolem

Obrázek 14 – Předlohová hřídel

Pro materiál 12020

Kontrola na střídavý ohyb

(213)

(214)

(215)

Mo2 = 156,916 Nm

Kontrola na statický krut

(216)

(217)

(218)

Celková bezpečnost

(219)

3.14.3 Pevnostní kontrola výstupní hřídele

Kontrola je provedena u osazení, kde je umístěno ložisko

Obrázek 15 – Výstupní hřídel

M_o2 = 81,57 Nm

60 Pro materiál 11600

Kontrola na střídavý ohyb

(220)

(221)

(222)

(223)

(224)

(225)

Kontrola na statický krut

(226)

(227)

(228)

Celková bezpečnost

(229)

4 Metoda konečných prvků

Pevnostní analýza je provedena pomocí MKP (metody konečných prvků).

Analýza je provedena v programu Autodesk Simulation Mechanical 2015.

V současnosti existuje spousta softwarů, které jsou schopny řešit MKP jako například ABAQUS, ANSYS, Creo Parametric a mnoho dalších. Pro analýzu je použita výstupní hřídel z převodovky. Nejprve je nutné vytvořit 3D model. Je zde použit model z celkové sestavy převodové skříně vytvořené v Inventoru. Dále je nutné nastavit okrajové podmínky. V tomto případě je zamezeno posuvu v místech ložisek. V jednom ložisku v axiálním a radiálním směru, na druhém ložisku pouze v radiálním. Jako další krok je nastavení sil a krouticích momentů. Následuje zjemnění sítě v kritických místech, nastavení gravitace popřípadě teplotních účinků a nakonec materiálové vlastnosti.

Obrázek 16 – Průběh napětí na výstupní hřídeli

Obrázek 17 – Analýza MKP - Celkové posunutí

62

5 3D Model

Obrázek 18 – Převodová skříň a řemenový převod

Obrázek 19 – Čelní ozubením se šikmými koly a výstupní hřídel

Obrázek 20 – Synchronizační spojka a svařovaný rám

Obrázek 21 – Napínání řemenu

Obrázek 22 – Celková sestava

64

6 Ekonomické zhodnocení

6.1 Vlastní náklady na výrobku

Přímý materiál

- Ceny odlitku dle dohody

- Ceny normalizovaných součástí dle katalogu výrobců Tabulka 5 – Výdaje na součástky

Název součásti Počet kusů Cena (Bez DPH)

Spodní a horní část skříně + víka 1 22500 Kč

Rám 1 1300 Kč

Hřídel vstupní 1 352 Kč

Hřídel předlohová 1 312 Kč

Hřídel převodovka výstup 1 250 Kč

Hřídel celkový výstup 1 431 Kč

Hřídelové těsnící kroužky 2 24,60 Kč

Ložiska (valivá + kluzná) 8 3408,85 Kč

Řemenový převod 1 2540 Kč

Pera 5 15,50 Kč

Ozubené kola 6 2149 Kč

Ložiskový domek 2 918 Kč

Elektromotor 15 kW 1 15229 Kč

Spojka 1 1050 Kč

Synchronizační spojka 1 2370 Kč

Spojovací materiál - 225 Kč

Řetězové kolo 2 5797 Kč

Celkem 38 58871,95 Kč

Přímé mzdy

- Mzda průměrného dělníka, který se bude podílet na výrobě 100/hod Tabulka 6 – Výdaje na přímé mzdy

Typ součásti

Doba práce (řezání, vrtání, soustružení, frézování, svařování)

Cena (bez DPH)

Ozubené kola 1,2 hod 120 Kč

Hřídele 45 min 75 Kč

Horní a dolní skříň 3 hod 300 Kč

Rámová konstrukce 3,5 hod 350 Kč

+ Doba manipulace

se součástkami 1,8 hod 180 Kč

+ Doba montáže 2,2 hod 220 Kč

Celkem 12,45 hod 1245 Kč

Ostatní přímé náklady – doprava, energie

Tabulka 7 – Ostatní přímé náklady

Typ nákladů Cena (bez DPH)

Energie u obráběcích strojů 50 Kč Odpisy na použité výrobní stroje 30 Kč

Doprava 100 Kč

Celkem 180 Kč

Výrobní režie

35% ze součtu přímého materiálu, přímé mzdy a ostatních přímých nákladů Výrobní režie je

66

Správní režie je

Prodejní náklady

30% ze součtu přímého materiálu, přímé mzdy a ostatních přímých nákladů Prodejní náklady jsou

6.2 Další položky pro stanovení konečné ceny pro zákazníka

Zisk

S ohledem na konkurenci 45% ze součtu všech předešlých nákladů Zisk je

Obchodní rozpětí

10% ze součtu všech předešlých položek

Prodejní náklady jsou

DPH

a) bez DPH – součet všech předešlých položek

b) s DPH – součet všech předešlých položek + 21%

7 Závěr

Tato bakalářská práce se zabývá návrhem pohonu pohyblivých schodů, aby splňovali dané parametry. Parametry zahrnují vstupní výkon 15 kW, vstupní otáčky 1400 ot./min, výstupní otáčky 900 ot./min s následnou redukcí na 50% tedy 450 ot./min, požadovanou životnost 8000 hodin a to celé umístěno v daných souřadnicích.

Konstrukce je tvořena elektromotorem, spojkou, převodovou skříní, řemenovým převodem a následně potenciální výstupní hřídelí s řetězovými koly pro samotný pohon pojízdných schodů.

První část práce je teoretická. Věnuje se charakteristice, historii, rozdělení pohyblivých schodů a používaným typům uspořádání. V této části bylo zmíněno potenciální řešení.

V dalším kroku byla zahrnuta výpočtová zpráva. Bylo nutné stanovit celkový převodový poměr, převodový poměr na jeden převod a následně počty zubů jednotlivých převodů tak, aby se jednotlivé převody nejvíce blížily dílčímu převodu.

Zároveň bylo nutné, aby se výsledné otáčky nelišili o více než 2%. Bylo žádoucí, aby počty zubů na prvním kole byly sudé a na druhém kole liché z toho důvodu, aby se kola nepotkávala. Byly určeny krouticí momenty na jednotlivých hřídelích s patřičnými účinnostmi, díky kterým byly spočítány jednotlivé moduly. Následuje návrh kuželového soukolí se šikmými zuby a čelního soukolí se šikmými zuby, kde byly spočítány parametry pro výpočet součinitele záběru a základní parametry soukolí. Vše bylo modelováno v programu Autodesk Inventor, kde bylo vygenerováno soukolí na základě krouticích momentů, modulu, počtu zubů a sklonu ozubení. Součinitel záběru kvantifikuje plynulost chodu soukolí. Důležitou informací z návrhu ozubení je výpočet sil v ozubení. Tyto síly se projevily při výpočtu reakcí a následně při navrhování ložisek.

Dále bylo nutné navrhnout řemenový převod tak, aby byl schopen přenášet spočtený krouticí moment na výstupní hřídeli z převodovky. S ohledem na převodový poměr a krouticí moment bylo možno navrhnout průměry řemenic, počet řemenů, typ řemenů a především síly, které vyvozuje řemenový převod. V danou chvíli bylo nutno udělat předběžný návrh vzdáleností na hřídelích mezi podporami (ložisky) a působícími silami (ozubenými koly) tak, aby bylo možné spočítat reakce. Tyto rozměry byly následně změněny z důvodu optimalizace výsledné reakce v ložiscích a z důvodu velikosti daných prvků. V důsledku této časté změny rozměrů a následnému přepočítání byl