V LIBERCI
Fakulta strojní
Diplomová práce
Inovace stavu pro semi‐dynamickou zkoušku životnosti brzdy
2009 Bc. Martin Horák
Fakulta strojní
_________________________________________________________________________
Katedra částí a mechanismů strojů Studijní rok: 2008/2009
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Jméno a příjmení Bc. Martin Horák
Studijní program N2301 – Strojní inženýrství obor 3909T010 ‐ Inovační Inženýrství zaměření Inovace výrobků
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma:
Inovace stavu pro semi‐dynamickou zkoušku životnosti brzdy
Zásady pro vypracování:
1. Seznamte se s požadavky na semi‐dynamickou zkoušku ve vývojové zkušebně.
2. Seznamte se systémy používanými v současné době a identifikujte jejich klady a zápory.
3. Inovujte současný stav, vytvořte vlastní inovační řešení týkající se:
a. změny mechanické části,
b. změny principu snímání brzdného momentu.
4. Vyberte optimální variantu řešení.
5. Proveďte detailní zkonstruování a výpočty vybrané varianty.
Fakulta strojní
Studijní program: N2301 ‐ Strojní inženýrství
Obor: Inovační inženýrství Zaměření: Inovace výrobku
Katedra částí a mechanismů strojů
Inovace stavu pro semi-dynamickou zkoušku životnosti brzdy
Jméno autora: Bc. Martin Horák
Vedoucí DP: doc. Ing. Miroslav Bureš, CSc. TU Liberec Konzultant DP: Ing. Pavel Polodna, TRW Lucas Varity, s. r. o.
Rozsah práce a příloh:
Počet stran: 63 Počet obrázků: 57
Počet příloh: 24 Datum: 4. června 2009
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé DP a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
V Liberci 4. června 2009 …..………..
Bc. Martin Horák
Místopřísežné prohlášení
„Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.“
V Liberci 4. června 2009 …..………..
Bc. Martin Horák
DIPLOMOVÁ PRÁCE TÉMA:
Inovace stavu pro semi‐dynamickou zkoušku životnosti brzdy
ANOTACE:
Cílem diplomové práce je modifikace současného systému, který slouží k ověření životnosti kotoučové brzdy. Současným problémem je velmi malá flexibilita, která je omezujícím faktorem využití zkušebního zařízení vzhledem k širokému sortimentu produktů TRW Lucas Varity, s. r. o.. Navržená modifikace zajistí výrazné navýšení flexibility a kapacity tohoto zkušebního stavu.
THESIS
THEME:
Innovation of tester for semi‐dynamical test of brake lifetime
ANNOTATION:
The aim of this thesis is to modify the current system which serves to verify the disk brake life. The contemporary problem is in the very low flexibility of the tester. It presents a limitary element of usage of the test equipment with regard to the wide range of TRW Lucas Varity, Ltd.
products. The proposed modification ensures significant increase in flexibility and capacity of this test machine.
Poděkování:
Děkuji všem, kteří mi poskytli cenné rady a připomínky při vypracování mé diplomové práce, svým rodičům kteří mi umožnili studovat na TU v Liberci a byli mi vždy oporou.
Dále bych chtěl poděkovat doc. Ing. Miroslavu Burešovi, CSc. a všem členům KST za všestrannou pomoc.
Zvláštní poděkování patří Ing. Pavlovi Polodnovi za jeho dohled nad vypracováváním diplomové práce a za vstřícnou pomoc při řešení problémů. Děkuji též firmě TRW Lucas Varity, s.r.o. za možnost vypracování diplomové práce a za poskytnuté zázemí při řešení daného problému.
[7]
Obsah:
1. Seznam použitých zkratek a symbolů ... 8
2. Cíl práce ... 9
3. Parametry a technologie semi‐dynamické zkoušky ... 9
3.1. Popis testovaných komponent vstupujících do zkoušky – terminologie [1] ... 9
3.2. Princip funkce hydraulicky ovládané kotoučové brzdy [1] ... 11
3.3. Únava materiálu strojních součástí při periodickém zatěžování [2] ... 12
3.4. Název a průběh zkoušky [3] ... 13
3.5. Popis stávajícího testovacího zařízení a princip ovládání stroje ... 16
3.6. Hlavní nedostatky testovacího zařízení před inovací ... 20
4. Plánování inovace zkušebního zařízení [4], [5] ... 21
4.1. Inovační záměr ... 22
4.2. Identifikace zákaznických potřeb [4] ... 22
5. Průzkum známých řešení [4], [6] ... 24
5.1 Rotující kotouč 2 ... 25
6. Vlastní konstrukční návrhy inovovaného zařízení [7] ... 26
6. 1 Varianta 1 ‐ Využití snímače síly (rameno) ... 26
6. 2 Varianta 2 ‐ Využití snímače síly (posuvná konzola) ... 29
6. 4 Snímače krouticího momentu [8], [9], [10] ... 32
o snímání momentu za rotace ... 32
o snímání momentu statické ... 34
6. 5 Varianta 4 ‐ Využití snímače momentu za rotace ... 35
6. 6 Varianta 5 ‐ Využití statického snímače momentu ... 37
7. Zhodnocení a výběr konceptu [4] ... 39
8. Vlastní realizace inovace testovacího zařízení ... 40
8.1 Vymodelování původního zařízení [11] ... 40
8.2 Návrh posuvné konzole snímače momentu [6], [13], [14], [15] ... 43
8.3 Ověření pevnosti návrhu stolu [11], [13], [15] ... 47
8.4 Zhodnocení výsledků výpočtu rámu stolu ... 53
8.5 Dodatečné úpravy spojené s inovací zařízení ... 54
6.1 Cenová kalkulace vybrané varianty [12], [14], [16] ... 57
9. Závěr ... 59
10. Použitá literatura ... 63
1. Seznam použitých zkratek a symbolů
RK Rotující kotouč (označení zařízení pro semi‐dynamickou zkoušku brzdy)
p [Pa] tlak
P [W] výkon
F [N] síla
g [m.s‐2] tíhové zrychlení
m [kg] hmotnost
Mk [Nm] krouticí moment
ABS Antiblokovací brzdový systém automobilu
PMMA polymetylmetakrylát
Al hliník
PE polyethylen
Re [MPa] mez kluzu materiálu
Rm [MPa] mez pevnosti materiálu
[9]
2. Cíl práce
Cílem diplomové práce je inovace současného zařízení pro semi‐dynamickou zkoušku životnosti brzdy. Zpráva popisuje testovací metodiku a návrh modifikace mechanických částí stroje na základě zjištěných požadavků zkoušky tak, aby umožňoval snadné testování celého sortimentu brzdových komponentů firmy TRW Lucas Varity s.r.o. a zajistil tak zvýšení flexibility a kapacity na tomto zkušebním zařízení.
Úkolem je seznámit se se systémy používanými pro semi‐dynamické zkoušky v současné době a identifikovat jejich klady a zápory, navrhnout, propočítat a detailně zkonstruovat vlastní inovované konstrukční řešení.
3. Parametry a technologie semi‐dynamické zkoušky
3.1. Popis testovaných komponent vstupujících do zkoušky – terminologie [1]
Jedná se o semi‐dynamickou životnostní únavovou zkoušku materiálu kotoučové hydraulické brzdy určené pro osobní automobily, skládající se z držáku brzdového třmenu (obr.
1), brzdového třmenu (obr. 2), brzdového kotouče (obr. 3) a příslušných brzdových destiček (obr. 4). Sestavu kompletní brzdy ukazuje obr. 5.
Obr. 1: Držák brzdového třmene
Obr. 2: Brzdový třmen
Brzdový kotouč (rotor) – v drtivé většině případů kovový, u nejdražších provedení brzdových sestav může být i s příměsí keramických částic (viz obr. 6). Výhodou keramického brzdového kotouče oproti kovovému je výrazně nižší hmotnost a také menší opotřebení. Při brzdění se kinetická energie vozidla mění na teplo a dochází ke značnému zahřívání brzdového kotouče.
Proto bývají často na přední nápravě automobilů kotouče s vnitřním chlazením, tedy kotouče opatřené uvnitř soustavou kanálků, kterou prochází vzduch a pomáhá tím k chlazení. V běžném provozu se výjimečně používají také kotouče, do kterých jsou navrtané otvory. Teplo je ještě lépe odváděno, dochází k lepšímu odtrhávání brzdového prachu z brzdových destiček a tím i ke zvýšení brzdného účinku.
Obr. 4: Brzdové destičky Obr. 3: Brzdový kotouč
Obr. 5: Sestava brzdy
[11]
Obr. 6: Keramický brzdový kotouč používaný na vozidlech Audi R8
Brzdový třmen ‐ část brzdy, ve které je namontován brzdový píst a suvně připevněné brzdové destičky. Většina brzd z produkce TRW Lucas Varity, s.r.o. má jeden píst, tzv. systém s
„plovoucím třmenem“, který schematicky ukazuje obr. 7. Více jich nalezneme u výkonnějších brzdových sestav. Brzdový třmen je přes držák pevně spojen s nápravou vozidla.
Brzdový píst – umístěn v brzdovém třmenu, brzdová kapalina na něj působí tlakem a přitlačuje ho spolu s brzdovými destičkami ke kotouči. Dnes se v drtivé většině případů používají samostavitelné písty, které si zachovávají konstantní minimální vůli mezi brzdovým kotoučem a brzdovými destičkami v klidovém stavu.
Brzdové destičky ‐ jsou tvořeny kovovými pláty s brzdnou látkou připevněnou na povrch protilehlý brzdovému disku. Materiály pro brzdové destičky se vyznačují vysokým koeficientem smykového tření, využití nejčastěji nacházejí aramidiová vlákna s příměsí grafitických částeček impregnovaných bronzovým pudrem ke zvýšení životnosti.
3.2. Princip funkce hydraulicky ovládané kotoučové brzdy
[1]Jak je již z názvu patrné, přenos síly na kotoučovou brzdu je obvykle zajištěn tlakem kapaliny. Nejčastěji se používá brzdových kapalin či minerálních olejů. Pro osobní automobily obecně platí, že sešlápnutí brzdového pedálu vyvolá přes podtlakový posilovač tlak v brzdové
soustavě pomocí hlavního brzdového válce. Tlak se šíří kapalinou rovnoměrně a působí tak na brzdový píst v brzdovém třmenu, který tlačí brzdové destičky kolmo na kotouč (obr. 7)
Obr. 7: Schéma funkce kotoučové brzdy
3.3. Únava materiálu strojních součástí při periodickém zatěžování
[2]Napětí, která působí v průřezech strojních součástí při provozu, jsou zpravidla proměnlivá.
Převýší‐li maximální napětí určitou hodnotu, začnou probíhat v materiálu nevratné procesy, které při větším počtu cyklů změn napětí vedou ke změně mechanických vlastností materiálu a k vytvoření zárodku trhliny. Tato zárodečná trhlina se postupně zvětšuje, aniž vznikají makroskopické trvalé deformace a nakonec způsobí takové zeslabení nosného průřezu, že nastane náhlé porušení součástí. Maximální hladina napětí je při tom tak nízká, že její statické působení snáší materiál bez porušení. Typické pro takovou poruchu je, že vzniká až po určité době provozu, zdánlivě „únavou“ materiálu. Lom v tomto případě má i u houževnatých materiálů charakter křehkého lomu bez znatelných trvalých deformací. Mikroskopické trhlinky vznikají na povrchu součásti již v počátečním stádiu zatěžování při poměrně nízkém napětí, zůstávají blokovány, až při překročení určité hodnoty napětí se některá z nich začne rozvíjet a vznikne tak aktivní trhlinka, která dá impuls k únavovému jevu. Postup trhliny je nerovnoměrný a je ovlivněn místními poruchami materiálu. Únava materiálu je nejčastější příčinou poruch
[13]
strojních součástí a z tohoto důvodu bylo již vynaloženo značné úsilí a mnoho prostředků, aby se z výsledků rozsáhlého výzkumu vytvořily postupy pro racionální návrh součástí odolných proti únavovému lomu. Neexistuje však ani dosud univerzální metoda, která by za všech okolností vyhovovala, protože jde o velmi složitý jev, při kterém se uplatňuje velmi mnoho vlivů.
K přesnějším výpočtům jsou nutné velmi dobré znalosti materiálových vlastností, které je možno získat pouze experimentálním výzkumem. V mnoha případech však nelze především z ekonomického hlediska takto postupovat a pak nezbývá než tyto vlastnosti odhadovat a používat některých již známých jednodušších postupů založených na znalosti pouze těch mechanických vlastností, které jsou stanoveny při běžné zkoušce tahem.
3.4. Název a průběh zkoušky
[3]• Interní název této zkoušky ve firmě TRW Lucas Varity, s.r.o. je tzv. „ROTUJÍCÍ KOTOUČ“ – RK.
• Cílem je ověření únavové výdrže materiálu brzdy při simulovaných podmínkách.
• Zkoušku charakterizuje měření reakce brzdného momentu a snímání tlaku.
• Na stroji dochází k simulování zatížení brzdy při brzdění automobilu.
Průběh zkoušky:
Zkouška probíhá dle interní specifikace TS4‐15‐109. Brzda musí bez poškození absolvovat daný počet cyklů zabrzdění vpřed a vzad s brzdným momentem odpovídajícím zpomalení (zpoždění) vozidla 1g (to je maximální zpomalení, kterého je vozidlo schopno docílit při využití maximálního tření mezi vozovkou a pneumatikou určenou pro daný typ osobního automobilu).
Počet cyklů určených pro konkrétní brzdu vychází z testu únavové pevnosti tzv. Rezonátoru, která zároveň upravuje i velikosti hodnot reakcí snímaných brzdových momentů a použitých tlaků pro přesný typ brzdy. Účelem zkoušky RK je potvrdit životnost materiálu třmenu a držáku brzdy. Únavová zkouška navíc obsahuje simulování zatížení brzdového systému při brzdění ruční brzdou automobilu klesajícího z 30% svahu (označení RB v tab. 1) a dále statické testování (tzn.
bez rotace kotouče). V tab. 1 označeno RB stat.
Zkouška brzdy s ABS probíhá dle specifikace TS4‐15‐106.10, která předepisuje v brzdovém systému aplikované předepsané tlaky místo brzdného momentu. Zadání zkoušky pro přední a zadní brzdový systém je dobře patrné z následující tab. 1, kde je zároveň uveden počet cyklů pro dopředné a zpětné testování.
Tab. 1: Specifikace zkoušky „rotující kotouč“‐ RK (formulář TRW Lucas Varity, s.r.o.).
Jako příklad je též uveden záznam o průběhu zkoušky (tab. 2) včetně popisků. Jednalo se o zkoušku brzdy bez ABS, tj. jsou předepsány brzdné momenty vyvolané v systému.
Statické testování Hodnoty momentů se mění v závislosti na typu brzdy
[15]
Tab. 2: Záznam o průběhu zkoušky (formulář TRW Lucas Varity, s.r.o.)
Jak již bylo zmíněno výše, zkouška klasické brzdy bez systému brzdění ABS probíhá dle specifikace TS4‐15‐109 , která pro tento konkrétní typ brzdy předepisovala únavové testování brzdové sestavy při použití brzdné síly (zpomalení vozidla 1g) vyvolávající krouticí moment na
Zákazník, typ Zkoušející
Druh zkoušky, popis druhu výroby držáku brzdy (C‐ předsériová, D – sériová)
Rozložení hodnot momentů a tlaků během zkoušky
Hodnocení, poznámky
hřídeli s držákem brzdy 1030 Nm +2,5% (1056 Nm) a maximálně však 1030 Nm + 5% (1082Nm).
Tabulka 2 ukazuje, že brzda v testu obstála a byl splněn počet 50000 cyklů i 1000 cyklů záběhu bez poškození.
3.5. Popis stávajícího testovacího zařízení a princip ovládání stroje
Záznam a průběh zkoušky vyhodnocuje počítač (obr. 9), který:
‐ řídí regulační zařízení vyvolávající tlak v brzdové kapalině pomocí brzdového válce ovládaného pneumaticky (obr. 8)
‐ kontroluje počet cyklů
‐ je spojen s čidly signalizujícími utržení brzdového držáku (při poruše dojde k zastavení stroje)
‐ vyhodnocuje a reguluje hodnoty zaslané snímačem síly přepočítané na krouticí moment a reguluje hodnoty tlaku v brzdové soustavě
Obr. 8:Brzdový válec
Celkový pohled na stávající testovací zařízení včetně popisu hlavních komponent představuje obr. 9.
Zásobník brzdové kapaliny
Pneumatický rozvod Tělo brzdového válce
[17]
Funkční schéma zapojení testovacího zařízení
Řídící počítač
Zásobník stlačeného vzduchu pro ovládání Brzdový kotouč
Rám stroje
Obr. 9: Celkový pohled na stávající testovací zařízení Tenzometrický
snímač síly
Stop spínač
Rotační pohyb brzdového kotouče (obr. 10) upevněného na výstupní hřídeli převodovky vyvolává elektromotor Siemens o výkonu P= 3 kW (obr. 11). Maximální dosažená rychlost otáčení brzdového kotouče při zkoušce je 9.1 ot/min (vychází z konstrukce převodovky). Měření reakce brzdného momentu se provádí přes rameno upínacího segmentu držáku brzdy tenzometrickým snímačem síly (obr. 10) s následným přepočtem na krouticí moment.
Obr. 10: Brzdový kotouč, upínací segment držáku brzdy, čidlo utržení v nepracovní pozici
Brzdový kotouč
Tělo převodovky
Odtah nečistot vzniklých třením brzdových destiček a kotouče
Upínací segment držáku brzdy
Tenzometrický snímač síly
Čidlo signalizující utržení držáku brzdy Rameno přenášející sílu
[19]
Obr. 11:Elektromotor a převodovka
Rám stroje
Převodovka Elektromotor
Siemens
Rozvod tlakového vzduchu
Odtah nečistot vzniklých třením brzdových destiček
Brzdový válec
Zásobník stlačeného vzduchu pro ovládání
3.6. Hlavní nedostatky testovacího zařízení před inovací
Hlavním nedostatkem stávajícího zařízení jsou zhoršené možnosti jednoduchého testování rozšiřující se nabídky všech brzdových produktů TRW Lucas Varity, s. r. o. Jablonec nad Nisou, což výrazně ovlivňuje chod vývojového centra.
Současné zařízení není možné snadno nastavit podle požadovaných parametrů:
1) Rozteč děr, potřebnou k uchycení různých typů držáku brzdy (u výrobků se často mění), znázorňuje obr. 12 a obr. 13 ‐ rozměr A.
2) Vzdálenost držáku brzdového třmenu od brzdového kotouče (obr. 14) ‐ rozměr B.
3) Velikost a druh brzdového kotouče.
Obr. 12: Rozteč připojovacích šroubů na držáku brzdy
Obr. 13:Rozteč děr pro uchycení držáku na stávajícím zařízení
[21]
Obr. 14: Vzdálenost upínacího segmentu a kotouče na stávajícím testovacím zařízení Rozměr A na stávajícím zařízení není prakticky možné měnit, což výrazně omezuje využití stroje pro nové výrobky. Rozměr B, tj. vzdálenost držáku od kotouče je v současné době řešena pomocí podložek vkládaných mezi brzdový kotouč a upínací segment držáku brzdy.
Zdlouhavá a pracná výměna. Nutné velké množství podložek různých šířek.
4. Plánování inovace zkušebního zařízení [4], [5]
Inovační proces lze systematicky plánovat a řídit. K tomuto účelu slouží specifické metodické postupy, které celý proces inovace zrychlují a zefektivňují. V úvodní fázi inovačního procesu byly proto učiněny kroky, které jsou nutností pro použití těchto jednotlivých metod.
Proces plánování začíná identifikací inovačních příležitostí, které jsou založeny na dialogu s uživatelem resp. zákazníkem, sběru jeho názorů, rozboru kladů a záporů konkurenčních výrobků apod.
Součástí práce bylo i vypracování předběžného pracovního harmonogramu (příloha č. 1) popisujícího průběh celé inovace a stanovujícího čas na jednotlivé úkoly. Nástrojem umožňujícím vypracování byl program MS Project 2007. Při stanoveném pevném odevzdání diplomové práce 5. 6. 2009 vyšlo datum zahájení na 5. 11. 2008 a celkový čas nutný pro vypracování činil 122 dnů.
4.1. Inovační záměr
Cílem této inovace je navrhnout změnu zařízení tak, aby umožňovalo zkoušení všech typů kotoučových brzdových sestav vyráběných firmou TRW Lucas Varity, s. r. o. v Jablonci nad Nisou. Rozměrové parametry brzdové sestavy by měly být na stroji co nejjednodušeji seřiditelné. Navíc musí konstrukce testovacího zařízení umožňovat snadno seřiditelné zkoušení levého a pravého provedení sestavy brzdy. Samozřejmostí je jednoduchá a tuhá kostra zajišťující potřebnou spolehlivost při únavovém zkoušení materiálu brzdy. Konstrukce by měla být navržena tak, aby na ni bylo možné zapojit snímací čidla řídícího zařízení, rozvod brzdové kapaliny, umožnit snadný přístup ke všem součástem testované sestavy, zejména k odvzdušňovacím šroubům umístěným na těle brzdiče. O bezpečnost při provozu by se měl starat průhledný výsuvný kryt celého mechanismu. Celé zařízení by mělo umožnit zvýšení kapacity a flexibility vývojového centra.
4.2. Identifikace zákaznických potřeb
[4]Filozofie metod pro identifikaci zákaznických potřeb vychází ze snahy vytvořit vysoce kvalitní informační kanál mezi zákazníkem a pracovníky podílejícími se na inovaci výrobku.
Předpokladem úspěchu je to, že management a členové inovačního týmu, kteří bezprostředně ovlivňují charakteristiky výrobku, musí být v přímém kontaktu se zákazníky a mít zkušenosti s chováním a používáním výrobku. Bez této přímé zkušenosti nemohou být technická řešení a zákonité kompromisy udělány dobře, a tím pádem nebudou objevena skutečně inovační řešení.
[4]. Cílem metod zaměřených na identifikaci zákaznických potřeb je proto zejména:
‐ identifikovat skryté a zřejmé potřeby zákazníka
‐ zajistit, že nebude opomenuta žádná zásadní potřeba
‐ umožnit ověření vazby mezi potřebami a charakteristikami výrobku
‐ zaznamenat informace o zákaznických potřebách
‐ usnadnit porozumění jednotlivým potřebám zákazníků manažery a členy inovačního týmu
[23]
Pro sběr dat od zákazníka (reprezentován firmou TRW Lucas Varity, s. r. o.) bylo použito interview s konzultantem Ing. Pavlem Polodnou a dalšími pracovníky přímo se podílejícími na obsluze stávajícího zařízení na zkoušení brzd. Jednotlivé potřeby byly uspořádány do skupin z hlediska jejich využitelnosti při následné plánované inovaci stroje. Pro jejich přehlednost byl vypracován Afinní diagram.
Afinní diagram zákaznických potřeb
Zajištění funkce zařízení
Snadné nastavení rozteče děr pro uchycení držáku brzdy – rozměr A Jednoduché a rychlé nastavení vzdálenosti držáku brzdiče a kotouče – rozměr B
Možnost připojit různé druhy brzdových kotoučů Možnost testovat levé a pravé provedení kotoučové brzdy Prostor pro uchycení zařízení umožňující testovat zadní (ruční) brzdu
Možnost umístit snímač utržení brzdy v různých polohách Zajistit spolehlivé snímání reakce brzdného momentu
Umožnit testování široké nabídky brzd firmy TRW Odtah nečistot
Snadné nastavení vzdálenosti od kotouče
Zajistit nezanášení a správnou funkčnost testovacího zařízení Zabránit zapadnutí dílů do odtahové trubky
Snímání reakce brzdného momentu
Možnost připojení na stávající řídící a vyhodnocovací jednotku Zjištěná data porovnatelná s již dříve naměřenými hodnotami
Jednoduché připojení ke stávající konstrukci
Bezpečnost zařízení
Zabránit zranění obsluhy, poškození oděvu Možnost kdykoliv zastavit stroj Ochrana testovaných komponentů
Ergonomie ovládání
Umožnit snadnou údržbu a obsluhu zařízení Snadný přístup k ovládacím prvkům Snadný přístup k testovaným komponentům
Možnost připojit další příslušenství stroje Cena zařízení
Co nejnižší finanční náročnost celé inovace
Možno použít adaptéry pro připojení brzd z jiných strojů
Konstrukce by měla umožnit případnou záměnu pneumatického ovládání stroje
5. Průzkum známých řešení
[4], [6]Každému inovačnímu procesu předchází průzkum již známých, trhem nabízených řešení.
Oblast strojů na testování a zkoušení brzd je natolik specifická, že je prakticky nemožné získat informace o systémech od konkurenčních firem zabývajících se vývojem brzdových systémů pro osobní automobily. Jako konkurenční výrobek je proto v této práci uváděn pouze jediný dostupný výrobek používaný ve firmě TRW Lucas Varity, s. r. o. souběžně s inovovaným zařízením a to stroj pro semi‐dynamické zkoušení brzd, interně označovaný jako „Rotující kotouč 2“ (obr. 15).
[25]
5.1 Rotující kotouč 2
Jedná se o novější typ zkušebního zařízení oproti RK‐1, umožňující testovat dvě sestavy brzd zároveň. Pohon umožňuje i zpětný chod, určený k testu vzad. Regulace momentu probíhá na obou testovaných brzdách nezávisle. K tomuto stroji je ve firmě TRW Lucas Varity, s. r. o.
k dispozici široká základna adaptérů umožňujících upnutí různých druhů brzdových kotoučů i držáků brzdových třmenů. Možnost jejich využití výrazně sníží finanční nároky na prováděnou inovaci RK‐1.
K nevýhodám tohoto stroje patří omezený přístup k testovaným komponentům ze strany od elektromotoru, příčinou je poměrně široké vedení výsuvného krytu. Dále nedokonalý odtah nečistot vzniklých brzděním. Ten je řešen z boku stroje a projevuje se jako nedostatečný.
Zároveň i mohutnost konstrukce v oblasti upínání komponent sestavy brzdy způsobuje jejich obtížnější montáž. Připojení skříně převodovky k rámu stroje se nevyznačuje velkou tuhostí, a při testování se snímaným maximálním momentem (2000 Nm) dochází k vychylování obou komponent. Další nevýhodou je možnost nastavování vzdálenosti držáku brzdy od kotouče pouze z jedné strany (výše zmíněný rozměr B), neboť ze strany od elektromotoru brání připojení kliky posuvu zvýšené vedení výsuvného krytu. Posun konzole je realizován, po povolení upínacích šroubů, ručně klikou pomocí ozubeného převodu. Snímání reakce brzdného momentu je uskutečněno statickým snímačem Mk, který umožňuje oproti snímači síly získávat přesnější snímané hodnoty.
Skříň řídící jednotky
Skříň převodovky Elektromotor
Pneumatická jednotka
Obr. 15: Zařízení pro semi‐dynamické zkoušení brzd „Rotující kotouč 2“
Vedení výsuvného krytu
Posuvná konzola
6. Vlastní konstrukční návrhy inovovaného zařízení [7]
Jak je již zmíněno v úvodu této práce, cílem inovace je změna mechanické části stávajícího zařízení RK‐1, případně inovace snímání reakce brzdového momentu. Ke splnění cílů diplomové práce byl proveden průzkum trhu v oblasti možných způsobů snímání krouticího momentu.
S vývojem stále výkonnější automobilů rostou i požadavky na testování stále účinnějších brzdových systémů. V současné době probíhají zkoušky maximálních snímaných reakcí okolo 2000 Nm. Parametrům zkoušky musí být přizpůsoben i snímač reakce brzdného momentu.
V souladu s jeho životností, způsobu připojení i optimálním měřícím podmínkám je pro konstrukci inovovaného zařízení doporučen senzor s maximální měřitelnou hodnotou momentu 5 kNm přírubového typu. Pro snímače tohoto rázu byl proveden průzkum trhu a pro každý možný způsob snímání vytvořené ilustrativní konstrukční řešení. Jednotlivé varianty jsou modelované v programu Catia V5r16 a představují pouze vlastní navržený princip inovovaného snímání reakcí brzdných momentů využitelných na nově vyvíjeném zařízení. V sestavách chybí například rámy strojů. Až samotná vítězná varianta je detailně zpracována a zkonstruovaná s ohledem na pravidla DFX.
6. 1 Varianta 1 ‐ Využití snímače síly (rameno)
Využití snímače síly představuje nejlevnější variantu inovace zařízení, neboť samotné snímání momentu může zůstat beze změny. Výsledné působení reakce brzdového momentu se zachytí přes tenzometrický snímač síly v rámu stroje. Inovovaná konstrukce zařízení musí zároveň umožnit nastavení parametrů A a B. Vhodné se jeví využít připojovací adaptéry ze stroje
„Rotující kotouč 2“ a řešit konstrukci s ohledem na připojovací rozměry těchto adaptérů. Jeden z možných návrhů je patrný z obr. 16, kde je zobrazena celá sestava zařízení včetně elektromotoru. Obr. 17 a obr. 18 podrobně ukazují mechanismus snímání momentu a detailně zobrazené komponenty sestavy. Varianta 1 využívá duté hřídele, pevně spojené s ramenem snímání reakce brzdného momentu a posunutelného ramene držáku brzdy. Krouticí moment se převádí z výstupní hřídele převodovky přes rameno na dutý hřídel, pevně spojený s ramenem
[27]
snímače síly. Nastavení rozměru B tj. vzdálenosti brzdového třmenu od kotouče, umožňuje možnost posouvání ramene po duté hřídeli. To je zajištěno šroubovým svěrným spojením obou komponent. Změna rozměrů A (rozteč děr potřebná k uchycení držáku brzdy) je řešena výměnnými adaptéry s univerzálním připojením k ramenu. Adaptéry jsou totožné s těmi, které se používají na zařízení Rotující kotouč 2.
Obr. 16:Varianta řešení 1 – posuvné rameno, celkový pohled
Elektromotor
Tří stupňová převodovka
Rameno
Snímače síly
Odtah nečistot Brzdový kotouč
Obr. 17: Varianta řešení 1 – detail mechanismu
Mezi hlavní výhody a nevýhody navržené konstrukce patří:
Zachován původní mechanismus snímání reakce brzdného momentu Možnost zachování původního rámu stroje
Snadný přístup k celému mechanismu
Vysoké požadavky na tuhost ramene a výstupní hřídele převodovky (robustnost celého systému)
Obtížnější posun ramene po hřídeli (dosažení přesného rozměru B) Nedokonalý odtah nečistot vzniklých třením
Dutá hřídel
Brzdový třmen
Rameno držáku brzdy Posuvem ramene zajištěna
změna rozměru B
Svěrné šroubové spojení ramene a duté hřídele
Směr rotace kotouče i výsledné reakce momentu
[29]
Obr. 18: Varianta řešení 1 ‐ detail sestavy bez dutého hřídele
6. 2 Varianta 2 ‐ Využití snímače síly (posuvná konzola)
Dalším možným způsobem řešení při zachování původního snímače síly, může být varianta 2 (obr. 19). V sestavě by mohla být zachována původní výstupní hřídel převodovky doplněná vhodným adaptérem na univerzální uchycení brzdových kotoučů. Nastavení vzdálenosti B by zajistila po stole (není zobrazen v sestavě) posuvná konzola s kompletním příslušenstvím snímače síly. Nastavení vzdálenosti A je docíleno jako v prvním případě, tj. kompletní výměnou adaptéru držáku brzdového třmenu, který je šroubován k hřídeli pevně spojené s ramenem snímače síly. Hřídel je uložena v ložiscích, která umožňují volný výkyvný pohyb ramene a možnosti snímání reakce brzdného momentu přes tenzometrické snímače síly.
Výměnný držák brzdy umožňuje nastavení rozměru A Rozvod brzdové kapaliny
Výstupní hřídel převodovky
Ložiska duté hřídele
Zachycení momentu přes snímač síly v rámu stroje
Obr. 19: Varianta řešení 2 – posuvná konzola se snímačem síly
Mezi hlavní výhody a nevýhody navržené konstrukce patří:
Zachován původní mechanismus snímání reakce brzdného momentu Zajištěn dokonalý odtah nečistot
Vzhledem k délce ramene příliš mohutná konstrukce posuvné konzole a stolu Obtížné zakrytování celého mechanismu
Detailní pohled na sestavu poskytuje obr. 20. Stůl, po kterém se konzola pohybuje zobrazen není.
Posuvná konzole
Snímač síly
Převodovka Elektromotor
Odtah nečistot
Posun konzole po stole
[31]
Obr. 20: Varianta 2 ‐ detailní pohled
6. 3 Varianta 3 ‐ Využití snímače síly (horizontální rameno)
Tato možná varianta (obr. 21) je zjednodušená verze varianty 2. Změněna je pouze pozice ramene a tenzometrických snímačů síly, jež jsou nyní v horizontální poloze. Nastavení rozměru B je možné stejně jako v předchozím řešení posunem konzole po rovinném stole. Vzájemná poloha by mohla být zajištěna drážkou a upínacími šrouby. Varianta nabízí výhody předešlé konstrukce. Omezením může být šířka ramene, která znemožňuje snadné zakrytování celého mechanismu. Nastavení rozměru A je stejně jako v předešlých řešeních umožněno výměnnými adaptéry.
Brzdový kotouč Rozvod brzdové kapaliny
Adaptér držáku brzdového třmenu
Zachycení momentu přes snímač síly v rámu konzole
Obr. 21: Varianta řešení 3 – rameno v horizontální poloze
6. 4 Snímače krouticího momentu
[8], [9], [10]V úvodu kapitoly 6 byly zmíněny požadavky na vhodný snímač krouticího momentu. Mělo by se jednat o zařízení přírubového typu, kompaktních rozměrů a nejvyšší možné měřitelné hodnoty 5000Nm. Průzkumem trhu, zahrnujícím hledání dostupných výrobců měřící techniky, bylo zjištěno, že jsou pro výše zmíněné parametry možné dva odlišné způsoby měření krouticího momentu, a to:
o
snímání momentu za rotace
Jedná se o zařízení, která se používají k měření krouticího momentu, otáček a výkonu, jsou konstruována na torzním bezkontaktním principu a jsou vhodná jak pro statická, tak i pro dynamická měření. Přesnost měření je lepší než 0,1% z celého rozsahu. Obecný měřicí rozsah je od 0 – 25 000Nm a otáčky od 1 do 50 000 ot/min. Snímače jsou opatřeny integrovanou
Vodorovná poloha ramene i snímače síly
Uložení hřídele v ložiscích
Zachycení momentu přes snímač síly v rámu konzole
Posun konzole Výstupní hřídel převodovky
[33]
elektronikou, tzn., že výstupní napětí je lineární 0 – 5V (0 ‐ 10V) při obousměrném otáčení.
Vyznačují se rychlým bezkontaktním přenosem dat mezi rotorem a statorem. Digitální monitoring je součástí rotoru. Oba typy se vkládají mezi dvě hřídele uložené v ložiscích. Vlastní přírubový snímač je pevně připojen na jednu z přírub, mezi druhou přírubu a snímač se v případně potřeby připojuje pružná spojka vymezující radiální i axiální chybu ustavení hřídelí vůči sobě. Jednoduché schéma montáže zobrazuje obr. 24. Návrh řešení s tímto mechanismem je zohledněn ve Variantě 4 popsané níže v kapitole 6.5. Měření krouticího momentu za rotace představuje velmi přesný a rychlý způsob získávání informací, v neprospěch však mluví jejich pořizovací cena, která začíná okolo 500 tisíc Kč. Řešení nabízejí např. firmy Lebow (Honeywell) a HBM, ukázky na obr. 22 a obr. 23.
Obr. 22: Snímač za rotace T12 ‐ firmy HBM Obr. 23: Snímač za rotace firmy Lebow
Obr. 24: Příklad připojení rotačního snímače momentu
o snímání momentu statické
Na rozdíl od snímačů za rotace, mají statická přírubová měřící zařízení jednu stranu pevně nepohyblivě uchycenu. Samotná konstrukce snímače je podstatně jednodušší, i samotné rozměry jsou kompaktnější. Obdobně jako předchozí senzory se také statické vyznačují bezúdržbovostí, vysokou torzní tuhostí a instalací přímo na hřídel stroje. To umožňuje jednoduchou integraci do testovacího zařízení. Technologie, která je založena na tenzometrickém senzoru umožňuje přenášet signál s vysokou přesností. Většinou se jedná o pasivní snímače, na rozdíl od snímačů rotačních je k nim navíc potřeba tenzometrický zesilovač s vhodným výstupem. Návrh řešení s tímto druhem snímání reakce brzdného momentu ukazuje Varianta 5 popsaná níže v kapitole 6.6. Cena samotného zařízení se pohybuje od 95 000 do 140 tisíc Kč. Řešení nabízejí např. firmy Lorenz Messtechnik, Honeywell či HBM, ukázky na obr. 25, obr. 26 a obr. 27.
[35]
Obr. 27: Statický přírubový snímač firmy HBM
6. 5 Varianta 4 ‐ Využití snímače momentu za rotace
Při použití snímače krouticího momentu za rotace, by bylo nutné uložit výstupní hřídel za senzorem do ložisek a následně upevnit k rámu stroje. Jednodušší konstrukce by se naopak dosáhlo při následném řešení posuvu držáku brzdy s cílem nastavit požadovanou vzdálenosti B.
V navržené variantě by mohlo být využito jednoduché konzole, buď přímo posuvné po stole a fixované šrouby, nebo napevno uchycené k rámu stroje s výsuvnou pinolou. Moment je snímám mezi dvěma hřídeli u výstupu z převodovky. Nastavení rozměru A je jako v ostatních případech pomocí výměnných adaptérů. Celkové řešení včetně popisků je patrné z obr. 28, detaily komponent na obr. 29.
Obr. 26: Statický přírubový snímač firmy Honeywell
Obr. 25: Statický přírubový snímač firmy Lorenz Messtechnik
Obr. 28: Varianta řešení 4 – měření reakce brzdného momentu snímačem za rotace
Obr. 29: Varianta řešení 4 ‐ detailní pohled
Rám, uložení výstupního hřídele v ložiscích
Převodovka Elektromotor
Varianty konzole držáku adaptéru brzdy
Výsuvná pinola umožňuje nastavit
vzdálenost mezi držákem brzdy a kotoučem Rotační snímač momentu
Odtah
Brzdový třmen
Adaptér držáku brzdy Posuvná pinola
[37]
Mezi hlavní výhody a nevýhody navržené konstrukce patří:
Jednoduchá konstrukce celého zařízení Snadné a rychlé nastavení požadované vzdálenosti B
Zajištěn dokonalý odtah nečistot Možnost zakrytování
Vysoká cena zařízení na snímání momentu
6. 6 Varianta 5 ‐ Využití statického snímače momentu
Samotná varianta řešení je závislá na konstrukčních zásadách upnutí statického snímače krouticího momentu, tzn. jedna z jeho přírubových stran musí být pevně uchycena, druhá napojena na snímaný hřídel a uložena v ložiscích. Konstrukční řešení Varianty 5 (obr. 30) těmto zásadám odpovídá. Další požadavky na funkčnost celého zařízení, tj. jednoduché nastavení vzdálenosti držáku brzdy od brzdového kotouče je umožněno posuvnou konzolou, ve které je uchycen statický snímač momentu, nastavení rozteče děr zajišťují výměnné adaptéry držáku brzdy. Detailní sestavení a popis zařízení znázorňuje obr. 31.
Mezi hlavní výhody a nevýhody navržené konstrukce patří:
Lze použít původní výstupní kovanou hřídel převodovky Kompaktní rozměry mechanismu
Zajištěn dokonalý odtah nečistot Možnost zakrytování
Rám konzole musí zajišťovat potřebnou tuhost Nutnost nákupu snímače kroutícího momentu
Obr. 30: Varianta řešení 5 – měření reakce brzdného momentu statickým snímačem
Obr. 31: Varianta 5 ‐ detailní pohled
Posuvná konzola se snímačem momentu
Možnost posuvu – nastavení B Převodovka
Elektromotor
Upevnění snímače šrouby Hřídel přenášející reakci brzdného momentu ke snímači Odtah
Adaptér držáku brzdy
Brzdové třmen
Rozvod brzdové kapaliny
[39]
7. Zhodnocení a výběr konceptu [4]
Výběr konečného konceptu inovačního výrobku je iterativní proces, při kterém dochází k zhodnocení vygenerovaných dílčích konceptů. Porovnáváním jednotlivých řešení a výběrem jednoho nebo několika konceptů pro další vývoj, zlepšování a testování.[4]
Rozhodnutí o nejlepším návrhu je provedeno formou analýz silných a slabých stránek jednotlivých návrhů seřazených do tabulky (viz. tab. 3). Jednotlivá kritéria jsou hodnocena číselnou stupnicí od 1 do 5, kde 1 znamená výbornou vlastnost návrhu a 5 naopak vlastnost nedostatečnou. Jednotlivé parametry a hodnocení bylo provedeno se členy vývojového centra, podílejícími se na inovaci zkušebního zařízení.
Tab. 3: Rozhodovací tabulka pro zhodnocení navržených konceptů
Podle výsledků tabulky 3 se nejlepším návrhem stala Varianta 5, která využívá (obdobně jako RK‐2) pro měření reakce brzdného momentu statický snímač a možnost nastavit vzdálenost držáku brzdy od kotouče pomocí posunu a fixace konzoly na pracovní stůl. Varianta vyniká vyvážeností mezi jednotlivými kritérii. Nejhoršího výsledku dosáhla v oblasti ceny celkové inovace, neboť je pro její zkonstruování nutný nákup nového snímacího systému. Naměřené hodnoty reakcí brzdných účinků budou porovnatelné se souběžným zařízením RK2 (kapitola 5.1), které pracuje na obdobném principu a využívá i shodných adaptérů držáku brzdy. Po konzultaci s Ing. Polodnou byl návrh zvolen pro detailní zkonstruování.
8. Vlastní realizace inovace testovacího zařízení
8.1 Vymodelování původního zařízení
[11]Prvním krokem k úspěšné realizaci inovace bylo změření stávajícího stroje a vytvoření jeho virtuálního modelu. Největší důraz z hlediska přesnosti byl samozřejmě kladen na připojovací rozměry, tj. poloha osy výstupní hřídele převodovky, šíře rámu a děr pro možné připojení. Cílem inovace bylo zároveň maximálně využít stávající konstrukci. Model zařízení znázorňuje obr. 32, ve kterém jsou uvedeny základní rozměry celé sestavy, starý systém měření reakce brzdného momentu, ani brzdový kotouč zobrazeny nejsou. Modelováno v Catia V5r16.
Rám stroje tvoří ocelový svařenec. Základním stavebním profilem je tyč profilu U o velikosti 160 mm. Zařízení není ukotveno v podlaze, pro snížení vibrací je mezi rámem a podlahou využito pryžové podložky tloušťky 10 mm.
[41]
Obr. 32: Model stávajícího zařízení
Dalším krokem bylo určení přesného typu statického snímače, od kterého se odvíjejí další rozměry nové připojené konstrukce. Z nabídek firem HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK (HBM), Lorenz Messtechnik (zastoupené firmou Aura a.s. Milevsko) a Honeywell, vzešel, díky nejnižší nabízené ceně, nejrychlejšímu způsobu dodávky a zároveň i dobrým zkušenostem s tímto výrobcem, jako vítězný snímač DF‐30 (obr. 34) od firmy Lorenz Messtechnik. Cena tohoto zařízení s požadovanými vlastnostmi (6.4) dosahovala k 30. 5. 2009 výše 95 146,‐Kč bez DPH.
Pro zajištění správné funkce snímání momentu je zapotřebí dodržet způsob uchycení měřiče, tzn. že jedna strana musí být pevně spojena s rámem a druhá připojena k měřené součásti. Aby bylo zajištěno namáhání senzoru pouze na krut, je pracovní strana uložena přes přírubu v jehlovém jednořadém axiálním ložisku NA 4826.
1310
1450
1520 400
U160
Elektromotor
Svařenec rámu 1195
Obr. 33: Snímač DF‐30 s rozsahem do 5 kNm [9]
Axiální ložiska [12], [13]
Axiální jehlová ložiska mají schopnost přenášet velká axiální zatížení a nejsou citlivá k rázovým zatížením. Umožňují tuhá uložení při minimálních prostorových nárocích. Jsou jednosměrná a mohou tedy přenášet pouze axiální zatížení působící v jednom směru. Tvoří mimořádně kompaktní uložení, která nezaujímají větší prostor než běžný axiální ložiskový kroužek, zvláště je‐li možné využít související díly jako oběžné dráhy pro axiální klec s jehlami. U aplikací, kde přilehlé díly nemohou posloužit jako oběžné dráhy, lze klece s jehlami kombinovat také s kroužky různého provedení. Vzhledem k možnosti vytvoření různých kombinací se všechny díly objednávají samostatně. Ložisko má vnitřní průměr 130mm, vnější 165mm a šířku 35mm. Jeho váha činí 1,8kg. Cena komponentu byla k 30.5.2009 4 295,‐Kč bez DPH.
Rozsah [Nm] A B C D E F M K P Q 5 000 100 M 12 100 130 20 12x30° 75 ‐ 45 80
[43]
8.2 Návrh posuvné konzole snímače momentu
[6], [13], [14], [15]Návrh konstrukce rámu snímače (obr. 34) vychází z obdobného řešení použitého na stroji RK‐2. Jedná se o svařenec desek plechu P20 a plechu P35, ve které se nachází výše zmíněné ložisko. Jelikož se jedná o obdobný, plně fungující a pevnostně vyhovující návrh, nebylo potřeba doplňovat ho o pevnostní výpočet. Posun konzole (svařence rámu snímače) po vrchní ploše základní pracovní desky je zajištěn pomocí ozubeného převodu (kolo a ozubený hřeben) ručně klikou. Hřídel posunu je uložena kvůli lepšímu tření v bronzových pouzdrech, ozubené kolo je proti posunutí zajištěno šroubem a perem. Pevného zajištění polohy konzole a základní desky je docíleno svěrným spojením osmi šrouby M16 přes upínací vedení v T drážce základní desky konstruované z plechu P40 (obr. 35). Přesné vedení zajišťují vodící lišty šroubované k základní desce.
Obr. 34: Svařenec rámu snímače momentu (konzole)
P35
P20
Otvor pro ozubené kolo Díry pro upínací šrouby
Díra pro ložisko
400
360
296
Díra pro hřídel posuvu
Obr. 35: Sestava koníku, základní desky, vodících lišt, ozubeného hřebene, pojezdového mechanismu a snímače momentu
Připojení adaptérů držáku brzdy je možné díky standardizovanému uchycení na 170 mm dlouhé přírubě (délka ovlivňuje navýšení prostoru v oblasti upínání brzdy a možnosti jednoduchého připojení příslušenství doprovázející zkoušku), která je spojena 6‐ti šrouby M10 k přírubě muzikusu 4 (obr. 36) spojené 12‐ti šrouby M12 (vychází z konstrukce snímače) se statickým snímačem momentu. Poloha ložiska NA 4826 vedeného po ploše příruby 4 je na vnitřní straně u senzoru vymezena opěrným kroužkem 3 (obr. 36), spojeným se stěnou svařence 6‐ti šrouby M6. Přesnou polohu ustavení snímače zajišťuje středící vložka snímače momentu 1.
Materiálem pro hřídele a příruby zvolena ocel třídy 14220.3 a pro svařované díly a desku materiál S355J2. Výrobní výkresy zobrazeny v příloha č. 2 až příloha č. 18.
Základní deska P40 Vodící lišty koníku
Ozubený hřeben
Pojezd Možnost
připojení kliky posuvu z obou stran
Standardizovaný připojovací rozměr
Ozubené kolo Snímač momentu
755
590 Příruba pro připojení
adapteru držáku brzdy
[45]
Obr. 36: Řez sestavou konzole (1 – Středící vložka snímače momentu, 2 – Podložka středící vložky, 3 ‐ Opěrný kroužek ložiska, 4 – Příruba muzikus, 5 – Příruba adaptéru brzdiče, 6 – Ložisko NA 4826, 7 – Statický snímač momentu)
Součástí inovace zařízení byla i tvorba stolu nového mechanismu. Při jeho konstruování byl kladen důraz na jeho vysokou tuhost (konstrukce bude namáhána momentem až 2000 Nm), jednoduché připojení ke stávajícímu rámu a zároveň i zachování „designu“ celého zařízení. Byla proto navržena vyztužená svařovaná konstrukce z ocelového profilu U160, doplněná příslušnými připojovacími plochami. Stůl není možno kotvit do podlahy, proto se musí vyznačovat pevným připojením k původnímu rámu stroje. V návrhu se počítá s připojením 14‐ti šrouby M10.
Zároveň musí konstrukce umožnit umístění odtahu nečistot z testovaného brzdového systému.
Dalším požadavkem byla maximální délka stolu, která činila 950mm. Detail možného připojení ukazuje obr. 37. Po konzultaci s vedoucím DP i s pracovníky firmy TRW Lucas Varity, s.r.o. byla navržena konstrukce svařence stolu, kterou ukazuje obr. 38 a obr. 39. Výrobní výkresy ukazuje č.
19 až příloha č. 22.
Obr. 37: Detail možného připojení ke stávající konstrukci
Obr. 38: Svařenec stolu
Díry pro šrouby v rámu původního zařízení
Čelo stolu s připojujícími otvory pro šrouby M10
Opěrná noha pro snazší manipulaci Vrchní část
s otvory pro připevnění základní desky
Vyztužení konstrukce Místo pro odtah nečistot
Adaptér pro připojení brzdového kotouče.
Otvory pro připojení k původnímu rámu se budou vrtat až při sestavování obou komponentů
[47]
Obr. 39: Sestava stolu a původního zařízení
8.3 Ověření pevnosti návrhu stolu
[11], [13], [15]Na základě ověření pevnosti navrhované svařované a šroubované konstrukce, byl proveden výpočet metodou konečných prvků na upraveném virtuálním modelu svařence stolu vytvořeném v Catia V5r16. Objem byl importován přes formát .stl do aplikace Ansys Workbench v11, kde byl virtuálně upevněn a zatížen. Postup práce popisuje následující text.
Na převedeném virtuálním modelu byla vytvořena síť prvků (obr. 40) s uzlovými body, ve kterých budou počítány výsledky. Vzhledem ke skutečnosti, že se předpokládá vysoká tuhost, není síť prvků generovaných na modelu příliš hustá, ale pro tento případ je plně dostačující.
S nižším počtem prvků klesá zároveň i čas nutný pro výpočet.
950
970 Původní rám zařízení
Připojený svařenec stolu
Obr. 40: vytvořená síť prvků na modelu svařence stolu
Konstrukce bude vzhledem k charakteru zkoušky namáhána momentem vyvolaným brzděním rotujícího brzdového kotouče. Pro výpočet byla brána jako maximální hodnota Mk=2500 Nm (počítáno s jistou rezervou pro nově vyvíjené výrobky brzd, neboť maximální měřené reakce se zatím pohybují do Mk=2000 Nm). Místo svařence koníku, přes který se moment přenáší, jsou použity dvě desky nahrazující jeho spodní část. Vzhledem k jistému zjednodušení je zatížení krouticím momentem nahrazeno dvojicí sil opačného směru F1= 6410N a F2=‐6410N (obr. 41). Jejich velikost odpovídá na hraně desky vzdálené od středu rotace r=
0,195m právě hodnotě 2500Nm.
Mk = 2F.r (Nm)
Vlastnosti materiálu virtuální konstrukce souhlasí se skutečnými hodnotami materiálu pro výrobu tyčí profilu U válcovaných za tepla zn. S355J2. Tj. mezi kluzu Re= 355Mpa a mezi pevnosti Rm= 500Mpa.
[49]
Modelové zafixování konstrukce je provedeno přes díry pro šrouby v čele rámu. Spodní podstavcová část je k charakteristice konstrukce uvažována jako neposuvná v ose y, v osách z a x je posuvná volně. Způsob zatížení je patrný z obr. 41. Kontaktní plochy jsou pro výpočet uvažovány jako lepené (nemusí se přidávat materiál svaru – pevnost ve spojích je tedy relativně nižší než ve skutečnosti při svařované konstrukci s přídavným materiálem).
Obr. 41: Zobrazení zatížení svařence stolu
Po provedeném výpočtu byly známy následující výsledky:
Maximální hodnota posunutí činila 4,254.10‐5m (0,043mm), obr. 42 ukazuje pro názornost tuto hodnotu deformace viditelně zvětšenou. Ve skutečnosti nebude posun patrný, zobrazení deformace v měřítku 1:1 ukazuje obr. 43, obr. 44 potom prezentuje směrovou výchylku modelu, opět pro její lepší představu viditelně zvětšenou.
Dalším výstupem z výpočtu jsou hodnoty napětí v konstrukci (obr. 45). Maximální hodnota napětí v materiálu takto zatíženého modelu je podle provedeného výpočtu 9,6.106Pa (9,6Mpa),
F F Dvojice zatěžujících sil
působících na desku.
F=6410N, nahrazující krouticí moment
Fixující vazba. Vetknutí v dírách pro šrouby.
což je hodnota výrazně nižší než mez kluzu 3,55.108Pa (355Mpa). Návrh tedy
vyhovuje
pevnostním i deformačním podmínkám.
Navíc byla provedena optimalizace celkové konstrukce pro 30% úběr materiálu a při minimálních změnách v pevnosti a tuhosti rámu (obr. 46). Hmotnost této sestavy při použitém materiálu S355J2 virtuálního svařence činí 362,5Kg
.
Po vypočítané optimalizaci a úběru materiálu (obr. 47) by hmotnost činila 333,64Kg. Červená barva v obr. 46 značí materiál, který lze bez změny tuhosti a pevnosti odebrat, světle hnědá značí možnost odebrání materiálu již s menším vlivem na tuhost a pevnost a šedivá barva materiál, který musí být zachován. Jedná se samozřejmě o fiktivní oblasti.Jak je patrné z obr. 47, konstrukce rámu testovacího zařízení by podle výpočtu měla vyhovovat i při redukovaném množství použitého materiálu a tedy i při snížené hmotnosti. Po domluvě s panem Ing. Pavlem Polodnou zůstane navržená konstrukce beze změn.
Obr. 42: Vektorové zobrazení viditelně zvětšené výsledné deformace vyvolané zatěžující silou
[51]
Obr. 43: Deformace modelu zobrazená ve skutečném měřítku
Obr. 44: Směrová výchylka modelu, zobrazení v řezu
Maximální deformace konstrukce při použitém zatížení: 0,043mm
Obr. 45: Maximální hodnoty napětí v materiálu, zobrazení viditelně zvětšené deformace stolu
Obr. 46: Optimalizace konstrukce pro 30% úběr materiálu
Max hodnota napětí činí 9,6Mpa
[53]
Obr. 47: Pohled na konstrukci po odebrání materiálu
8.4 Zhodnocení výsledků výpočtu rámu stolu
Navržená konstrukce z hlediska pevnosti, tuhosti a upevnění vyhovuje působícím zatížením.
Použitý materiál konstrukce: S355J2
Horní mez kluzu: Re= 355Mpa
Mez pevnosti: Rm= 500Mpa
Zatěžující dvojice sil: F=6410N a F=‐6410N Maximální hodnota posunutí (deformace)= 4,254.10‐5m (0,043mm) Maximální hodnota napětí v materiálu = 9,6.106Pa (9,6Mpa) Hmotnost virtuálního modelu: 362,5Kg
Základní nátěr: odstín RAL 6001 (6m2)
8.5 Dodatečné úpravy spojené s inovací zařízení
Díky změně mechanismu snímání momentu a možnosti využití různých brzdových kotoučů příslušných brzd, muselo dojít i ke změně výstupní hřídele (obr. 48) převodovky původního zařízení. Inovovaná hřídel (obr. 49) se vyznačuje univerzálním připojovacím rozměrem adaptérů kotoučů, významně zkrácenou délkou a upraveným šroubovaným připojením k tělu převodovky (konstrukční změny provedla firma TRW Lucas varity, s.r.o.).
Obr. 48: Původní výstupní hřídel (pohled od připojení k převodovce)
Obr. 49: Inovovaná výstupní hřídel s možností připojit adaptery brzdových kotoučů (konstrukci zajistila firma TRW Lucas Varity, s.r.o.)
Strana pro připojení adaptérů kotoučů.
Standardizovaný, ve firmě používaný rozměr.
Strana pro připojení k převodovce.
2x šroub M10.
Přenos momentu přes drážku.
∅ 140 90,3
