VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
NÁVRH ALTERNATIVNÍCH ZPŮSOBŮ SPOJENÍ VÍKA A TĚLESA OLEJOVÉHO MODULU ALTERNATIVE DESIGNS FOR CONNECTION WITH COVER AND HOUSING OIL MODULE
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. VÍT SVOBODA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2014
doc. Ing. MIROSLAV ŠKOPÁN, CSc.
ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA
ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá návrhem nového a úpravou stávajícího spojení víka s tělesem olejového modulu u nákladních automobilů. Spojení musí odolat provozním vlivům olejových modulů nákladních automobilů. Mezi tyto vlivy se řadí tlakové pulzace, teplotní výkyvy, vibrace a povětrnostní podmínky. Nejdůležitější je odolnost víka vůči povolení a ztrátě těsnosti. Práce obsahuje rešerše různých spojení použitelných pro tuto aplikaci. Další rešerše se zaměřuje na použitá spojení ostatních výrobců na trhu. V práci je obsažen návrh možných řešení úpravy spojení víka s tělesem a jejich vyhodnocení pomocí zadaných kritérií tabulkou vážených hodnot. Závěrečná část práce se zabývá rozpracováním tří nejlépe vyhodnocených návrhů řešení. U každého řešení jsou dle potřeby provedeny výpočty, výkresová dokumentace a další kroky realizace jednotlivých návrhů.
KLÍČOVÁ SLOVA Olejový modul, filtrace, víko, těleso, zajištění proti povolování, závit
ABSTRACT This diploma thesis describes the design of new connections and modification of existing connections cover and housing of oil module for trucks. This connection must resist the effects of operating oil trucks modules. These effects include pressure pulsation, temperature fluctuations, vibrations and weather conditions. The most important is the resistance of cover to rotation and loss of tightness. The work includes research of different connections usable for this application. Other research focuses on the use of connection of other manufacturers in the market. The work included a proposal of possible solutions for the modification of cover and housing and their evaluation using specified criteria with rating matrix. The final part deals with the development of the three best evaluated proposed solution. For each solution is made as necessary calculations, drawings and next steps of implementation of individual solutions.
KEYWORDS Oil module, filtration, cover, housing, protection against permitting, thread
BRNO 2014
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
BRNO 2014
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE Svoboda, V. Návrh alternativních způsobů spojení víka a tělesa olejového modulu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 85 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.
BRNO 2014
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
BRNO 2014
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Ing. Miroslava Škopána, CSc. a s použitím literatury uvedené v seznamu.
V Brně dne 30. května 2014
…….……..………………………………………….. Vít Svoboda
BRNO 2014
PODĚKOVÁNÍ
BRNO 2014
PODĚKOVÁNÍ
PODĚKOVÁNÍ Moje poděkování patří především vedoucímu práce doc. Ing. Miroslavu Škopánovi, CSc, Dále pak celé vývojové a konstrukční kanceláři společnosti MANN+HUMMEL s.r.o., zejména pak Ing. Ondřejovi Františkovi, Ph.D. za ochotu, neocenitelné rady a připomínky. Závěrem bych chtěl poděkovat svým rodičům, kteří mě po celou dobu studia podporovali.
BRNO 2014
POPIS PROBLEMATIKY
2 POPIS PROBLEMATIKY V současné době využívá koncern MH ke spojení víka a tělesa olejového modulu šroubové spojení. Toto spojení je charakterizováno předpisy a manuály MH. Při testování se však několikrát objevil problém s povolováním těchto vík, konkrétně u vík olejového modulu nákladního automobilu. Jako referenci a příklad pro řešení diplomové práce použiji projekt olejového modulu nákladního automobilu DAF. Tento konkrétní modul namontovaný na motoru je na Obr. 1.
Obr. 1 Olejový modul na motoru PACCAR (DAF)[1]
Olejový modul má v nákladním automobilu nepostradatelnou úlohu filtrovat a chladit olej, který se rozvádí do motoru a slouží k mazání a chlazení mechanických částí motoru. Uspořádání olejového modulu DAF můžeme vidět na Obr. 2. Celý olejový modul se skládá z několika součástí. Chladič oleje slouží k zachování pracovní teploty oleje a funguje jako tepelný výměník mezi olejem a chladicí kapalinou motoru nákladního automobilu. Hlavní součástí je olejový filtr s víkem. Olejovým filtrem prochází ve směru do středu elementu olej a tím jsou zachyceny nečistoty v oleji o minimální velikosti 30 µm. Chladič oleje i olejový filtr mají obtokový tlakový ventil.
BRNO 2014
15
POPIS PROBLEMATIKY
Obr. 2 Základní popis olejového modulu DAF [2]
Další součástí olejového modulu je odstředivý separátor tzv. centrifuga. Z olejového zásobníku je olej pod tlakem vehnán do středu centrifugy a vlivem rozstřiku po lopatkovém tvaru stěn se těleso centrifugy roztočí. Centrifuga se točí ve směru utahování víka. Roztočením se menší nečistoty shlukují na stěnu tělesa a ulpí zde. Samotný olej poté steče po vnitřní stěně cetrifugy zpět do tělesa olejového modulu. Těleso centrifugy je nerozebíratelné a po servisním intervalu se mění za nové. Centrifuga je umístěná paralelně k zásobníku oleje, čili filtrovaný olej se vrací zpět do zásobníku oleje. Není zde zapotřebí obtokový ventil, pouze tlakový ventil na vstupu do centrifugy z důvodu dostatečného tlaku oleje na mazání motoru. Verze s centrifugou je určena pro nákladní automobily s větším servisním intervalem tj. 180 000 km. U druhé verze je namísto tělesa centrifugy a jeho víka pouze záslepka. Tento modul má servisní interval poloviční tj. 90 000 km. Řez olejového modulu s popsanými součástmi je na Obr. 3.
Na počátku sériové výroby byla víka s modulem spojována závitem dle specifikace MH bez jakéhokoli jiného mechanismu. Z hlediska výroby byl navrhnut vnější závit na víku a vnitřní v tělese olejového modulu. Těsněna byla obě víka s modulem radiálními o-kroužky. Profil závitu a popis víka v řezu je na Obr. 4. Na tomto obrázku je rovněž zřetelné těleso centrifugy s vstupem tlakového oleje v jeho středu.
BRNO 2014
16
POPIS PROBLEMATIKY
Obr. 3 Řez olejového modulu se základními prvky [Autor]
Obr. 4 Základní popis víka centrifugy [Autor]
BRNO 2014
17
REŠERŠE PATENTŮ
3 REŠERŠE PATENTŮ Při hledání nového řešení je výhodné využít již známé varianty spojení. Jednou z možností bylo využít k tomuto patentovou databázi. „Termín patent označuje právní ochranu vynálezu a jeho vynálezce zákonem proti zneužití a dává vynálezci a vlastníkovi výhradní právo na použití vynálezu“ [7]. Jako konkrétní zdroje vyhledávání patentů byly využity tyto tři databáze v Tab. 2:
Tab. 2 Zdroje databáze patentů
Zdroje databáze patentů European patent register [8] Google patents [9] Lens [10]
Vyhledávání probíhalo v anglickém jazyce dle klíčových slov. Tato klíčová slova byla sestavena pro co nejlepší charakterizování spojení a bylo tak docíleno vyhledání maximálního počtu patentů. Klíčová slova: cover, lid, cap, rotation, turning, torsion, twist, top, head, plug, stopper, bottle, pressure, vessel, tank, secure, ensure Při vyhledávání patentů probíhalo hned vyřazování technických řešení, která jsou na aplikaci olejového modulu nesmyslná. Hodící se patenty byly zaznamenány a bylo provedeno jejich rozdělení na dvě skupiny. První skupina s názvem „Patenty opatřené závitem a zajištěním“ charakterizuje spojení, kde je hlavním spojovacím prvkem závit. Tento závit může být ať už více či méně zajištěn dalším mechanismem. Druhá skupina má název „Patenty opatření jiným způsobem spojení než je závit“. Tyto skupiny byly následně samostatně zkoumány a jednotlivé patenty hodnoceny. U jednotlivých řešení byly uvedeny základní informace, popis funkce řešení, popis obrázku, hlavní výhody a nevýhody a na závěr použitelnost pro aplikaci olejového modulu. Celá rešerše je uvedena v přílohách (P1), zde je uveden pouze výsledek rešerše.
BRNO 2014
28
REŠERŠE PATENTŮ
3.1 VÝSLEDKY REŠERŠE PATENTŮ Reálnému a přímému použití některého z patentů na zmiňovanou aplikaci nevyhovuje žádný z vyhledaných návrhů. Lze se pouze inspirovat uvedenými variantami. Nejvhodnějším řešením z vybraných patentů je jednoznačně bajonetové spojení, konkrétně patent č. US5411161A (Tab. 3). Toto jednoduché řešení se vyznačuje velkou odolností proti povolení a rychlostí montáže a demontáže víka. Zejména jednoduchost se projeví nejen na výrobních nákladech. Zároveň je zde zaručena možnost použití v aplikaci spojení víka s tělesem.
3.1.1 PATENT Č. US5411161A
Tab. 3 Základní informace o patentu [11]
Název
Container having a twist-locking cover
Datum publikování
2.5.1995
Žadatel
Fish, Jr., Milton L.
Vynálezce
Fish, Jr., Milton L.
Popis a funkčnost je znázorněna na Obr. 18. U tohoto kontejneru je spojení víka (22) a nádoby (24) realizováno na principu bajonetu. Víko (22) má na protiběžných stranách dvě západky (68 a 70). Při zavírání víka (22) se západky (68 a 70) natočí tak, aby se zasunuly do otvorů (48 a 50). Poté se víko pootočí o 90° až západky (74 a 76) zapadnou do otvorů (60 a 62) a tím dojde k zajištění proti samovolnému pootočení víka. Mezi výhody tohoto řešení patří relativní jednoduchost na výrobu, rychlé otevření a uzavření spojení a možné opakované použití bez poškození jednotlivých komponent. Naopak nevýhody jsou zřejmé z charakteru spojení a to zajištění víka proti povolení. Toto nedostatečné zajištění může při větších vibracích a pulzacích tlaku způsobit uvolnění víka. Další nevýhodou je malá robustnost. Použitelnost spojení pro víko olejového modulu je dobrá, avšak muselo by se obohatit o lepší zajištění proti uvolnění víka z tělesa například pružinou. Zároveň by se musela rapidně zvýšit robustnost západek pro větší odolnost proti mechanickému poškození.
BRNO 2014
29
REŠERŠE PATENTŮ
Obr. 18 Popis a funkčnost patentu US5411161A [11]
3.1.2 ZHODNOCENÍ REŠERŠE Pro aplikaci olejového modulu nákladního automobilu bylo nalezeno pouze jedno vhodné řešení a to výše popsané bajonetové spojení. Na základě tohoto patentu bylo upravené bajonetové spojení zahrnuto do návrhů řešení. Mimo tento patent nebylo nalezeno žádné jiné vhodné řešení. Nalezené spojení jsou ve většině příkladů málo robustní a nejsou tak schopny odolat vysokým tlakům, teplotám a provozním podmínkám nákladního automobilu.
BRNO 2014
30
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] PACCAR MX-13 Euro 6. In: Trucks Planet [online]. [cit. 2014-04-05]. Dostupné z: http://www.trucksplanet.com/?id=614 [2] DR. TRAUTMANN, Pius. MANN+HUMMEL SERIVCE S.R.O. Final Root Cause Analysis Loosing Cover Incidents DAF/Paccar MX Oil Module. 2013. [3] DUPONT. DuPont™ Zytel: Product guide and properties [online]. [cit. 2014-04-07]. Dostupné z: http://plastics.dupont.com/plastics/pdflit/europe/zytel/ZYTPPe.pdf [4] LATI INDUSTRIA TERMOPLASTICI S.P.A. Dimensional molding shrinkages of thermoplastic parts [online]. [cit. 2014-04-07]. Dostupné z: http://www.lati.com/pdf/technical_data/dimensional-molding-shrinkages.pdf [5] MANN+HUMMEL SERVICE S.R.O. Open Questions after Engineering Meeting: Annealing 110 questions DAF. 2013. [6] 1853684 Module - oil. In: Peterbilt parts [online]. [cit. 2014-04-08]. Dostupné z: http://www.peterbiltparts.com/engine-components/peterbilt-oem-enginecomponents/peterbilt-oem-engine-parts-and-accessories/1853684pe/ [7] World Intellectual Property Database: Definice - Patent. In: [online]. [cit. 2014-04-10]. Dostupné z: http://www.wipd.biz/definice--65--cze.html [8] EUROPEAN PATENT z: http://www.epo.org/
OFFICE.
[9] GOOGLE PATENTS. [online]. https://www.google.com/?tbm=pts
[online].
[cit.
[cit.
2014-04-10].
2014-04-10].
Dostupné
Dostupné
z:
[10] LENS. [online]. [cit. 2014-04-10]. Dostupné z: http://www.lens.org/lens/ [11] Patent US5411161A: Google Patents. [online]. [cit. 2014-04-11]. Dostupné z: https://www.google.com/patents/US5411161?dq=us5411161 [12] Norma ČSN 01 4052: Náhledy norem. [online]. [cit. 2014-04-11]. Dostupné z: http://nahledy.normy.biz/nahled.php?i=93 [13] MANN+HUMMEL SERVICE S.R.O. Výrobní výkres: COVER 6890000450. [14] Bajk: Závity na kole. In: [online]. [cit. z: http://www.bajk.cz/data/clanek.asp?id_clanek=566
BRNO 2014
2014-04-12].
Dostupné
80
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
[15] ŘEHÁK, Ivo. MANN+HUMMEL SERVICE S.R.O. Steel Stiffening Ring: Centrifuge cover DAF. ČR Třebíč, 2013. [16] ATB Turbo: V-Band Clamp - 2.5". In: [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.atpturbo.com/mm5/merchant.mvc?Screen=PROD&Store_Code=tp&Prod uct_Code=CLC-CLA-012&Category_Code=BCS [17] Hansanet: Hadicové spony. In: [online]. [cit. z: http://www.rempo.cz/oddeleni/90/Spony-hadicove-.aspx
2014-04-12].
Dostupné
[18] Marek Industrial a.s.: Stahovací spony třmenové. In: [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.marek.eu/cz/produkty/b-kipp-b-mechanickekomponenty/upinaci-prvky/spony-rychloupinace-upinace-hakove-trmenovepneumaticke-s-posuvnou-tyci-rucni-lisy/05525-05560-stahovaci-spony2/05530stahovaci-spony-trmenove/ [19] SKOPEČEK T., HOFMANN P., CIBULKA V.: Shrnutí problematiky HSC tvrdého frézování tvarových ploch [online]. [cit.2011-05-12] MM Průmyslové spektrum. Praha. Prosinec 2006. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/shrnutiproblematikyhsctvrdeho-frezovani-tvarovych-ploch [20] SHIGLEY, Joseph Edward, Charles R MISCHKE a Richard G BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0. [21] ŠROUBY A ŠROUBOVÉ SPOJE: přednáška. In: [online]. 2009 [cit. 2014-04-24]. Dostupné z: http://skola.spectator.cz/3_SEMESTR/Z%E1kl.stoj%EDrenstv%ED/PrednaskyRAW/ p8.pdf [22] KALÁB, Květoslav. Konstrukční návrh a výpočet ručního šroubového zvedáku: vysokoškolská příručka. Ostrava: Katedra částí a mechanismů strojů, VŠB-TU, FS, 2003, 22 s. ISBN 80-248-0543-X. [23] MechGuru: Typical coefficient of friction values for common materials [online]. [cit. 2014-04-24]. Dostupné z: http://blog.mechguru.com/machine-design/typicalcoefficient-of-friction-values-for-common-materials/ [24] Spoje ocelových konstrukcí: Sortiment - Šrouby [online]. [cit. 2014-04-24]. Dostupné z: http://ocel.wz.cz/sortiment/ [25] ABZ slovník cizích slov: Pojem Brainstorming. In: [online]. [cit. 2014-04-29]. Dostupné z: http://slovnik-cizich-slov.abz.cz/web.php/slovo/brainstorming BRNO 2014
81
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
[26] ČSN EN ISO 8062-3. Geometrické specifikace produktů (GPS) - Rozměrové a geometrické tolerance tvarovaných součástí: Všeobecné rozměrové a geometrické tolerance a přídavky na obrábění pro odlitky. 2008. vyd. Český normalizační institut. [27] Přímé hrdlo GE-R-ED: Katalog Parker. In: [online]. [cit. 2014-05-06]. Dostupné z: http://www.kovaz.cz/editor/image/eshop_products/ge06lredcf.pdf [28] Profile 8 40x40: Katalog ITEM. [online]. [cit. 2014-05-06]. Dostupné z: http://www.item24.cz/en/home/products/productcatalogue/productdetails/products/construction-profiles-8/profile-8-40x40-light-natural2633.html [29] Schéma vstřikovacího stroje: Katedra strojírenské technologie FS TUL. In: [online]. [cit. 2014-05-06]. Dostupné z: http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/ skripta_tkp/sekce_plasty/04-vstrikovani%20plastu/06vstrikovaci%20stroj%20schema.jpg [30] WOITOLL, Marco. MANN+HUMMEL S.R.O. GM1350 Fuel Filter: Filling- and warpage analysis. Ludwigsburg, Německo, 2012. [31] MARCO, Woitoll. MANN+HUMMEL S.R.O. Mold flow analysis of Cover GM1350: pictures of fiber direction in whole cover and thread. Ludwigsburg, Německo, 2014. [32] Datasheet DuPont Performance Polymers Zytel® 70G35HSLX BK357 Nylon 66: MatWeb.com. [online]. [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=67ced3c364f24e23a1749 172cf28e479&ckck=1 [33] Direct gate - Gate designing in injection mold: Plastics injection mold design. In: [online]. [cit. 2014-05-08]. Dostupné z: http://www.vnmold.com/2012/06/gatedesigning-in-injection-mold-p1.html [34] Gate types of injection molding: SOSISTAR MOLD. In: [online]. [cit. 2014-05-08]. Dostupné z: http://www.moldchina.org/gate-types.html [35] Banana gate - Different types of gate for injection molding: imould.com. In: [online]. [cit. 2014-05-08]. Dostupné z: http://www.imould.com/news/ Different+types+of+gate+for+injection+molding-1068.html [36] Normy závitů: Ústav konstruování - FSI - Vysoké učení technické v Brně. [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/ indexe640.html?akce=1&sekce=csn&ln=cs&zobraz_sekci=1
BRNO 2014
82
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE
[37] Šroubový zvedák: Střední průmyslová škola Ostrava - Vítkovice. In: [online]. [cit. 2014-05-18]. Dostupné z: http://www.sps-vitkovice.cz/vyuka/index.php?go=srzvedak
BRNO 2014
83
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ABS
akrylonitril-butadien-styrenový kopolymer
CNC
computer numerical control
d2
[mm]
střední průměr závitu
f
[-]
součinitel tření v závitu
Fo
[N]
osová síla v závitu
F TZ
[N]
síla třecího odporu závitu
GM
General Motors Corp.
MH
MANN+HUMMEL Service s.r.o.
Mp
[Nm]
povolovací moment
M p55
[Nm]
povolovací moment pro vrcholový úhel 55°
M p60
[Nm]
povolovací moment pro vrcholový úhel 60°
M TZ
[Nm]
moment třecího odporu závitu
n
[-]
počet chodů závitu
p
[mm]
rozteč závitu
Ph
[mm]
stoupání závitu
Sc
[-]
poměr smrštění
sk
[cm/cm]
smrštění ve směru kolmém k toku vláken
st
[cm/cm]
smrštění ve směru toku vláken
α
[°]
úhel profilu závitu
β
[°]
úhel profilu závitu
φ
[°]
úhel stoupání závitu
φ‘
[°]
třecí úhel závitu
BRNO 2014
84
