DYNAMICKÝ TESTER NAPÍNÁKU ŘEMENE SVOČ – FST 2015 Bc. Emil Černý Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitni 8, 306 14 Česká Republika ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá konstrukcí mechanismu, který bude vysokofrekvenčně zatěžovat napínák řemene. Cílem dynamického zatěžování je rychlé ustálení hysterezní charakteristiky napínáku řemene. Po dynamickém zatěžování navržený mechanismus provede změření hystereze napínáku. V práci je proveden rozbor sil působících v mechanismu při vysokofrekvenčním zatěžování pomocí analytických pohybových rovnic a dynamické analýzy v programu NX9. KLÍČOVÁ SLOVA Napínák řemene, rotační excentr, hystereze, dynamická simulace, pohybová simulace, MKP analýza KEYWORDS Belt tensioner, rotary eccentric, hysteresis, dynamic simulation, motion simulation, FEM analysis ÚVOD Napínák řemene je komponenta předepínající ozubený rozvodový řemen, který pohání různé prvky a příslušenství v automobilu. Mezi nejčastěji poháněné prvky patří alternátor, kompresor klimatizace a pohon příslušenství s klikovou hřídelí. Sestava napínáku je složena ze dvou hliníkových odlitků, těla pevně spojeného s motorem a otočné části s rotační kladkou. Tělo napínáku je s otočnou částí rotačně spojeno středovým čepem a předepnutou šroubovou pružinou. Za pružinou je sériově připojen tlumící element složený z kovového a plastového pásku. Při vzrůstajícím momentu na pružině napínáku, se tyto pásky dostanou do kontaktu s horní stěnou těla napínáku. Tento kontakt vyvodí třecí sílu, která tlumí vibrace působící na kladku napínáku. Toto třecí tlumení ale též způsobuje výrazné hysterezní chování sestavy napínáku řemene, kdy zatěžující momentová větev je větší, než odlehčující větev. V současnosti se hystereze jednoho každého napínáku měří v automatické výrobní lince při sestavování. Toto měření následuje po jednom pracovním cyklu napínáku. Výrobní linka, spolu s dalšími při výrobě napínáku naměřenými parametry, vyhodnotí a vyřadí nevyhovující napínáky jako vadné. V současnosti se zmetkovitost výroby jen z důvodu nevyhovující hysterezní charakteristiky pohybuje v jednotkách procent. Vzhledem k tisícovým sériím napínáků, které se vyrobí každý den, to ovšem představuje nezanedbatelné ekonomické i ekologické ztráty. V diplomové práci je proveden návrh a konstrukce dynamického testeru napínáku řemene. Základním požadavkem ze zadání práce, je co možná nejrychlejší a nejpřesnější měření hysterezní charakteristiky napínáku řemene. Zvýšení přesnosti měření bude docíleno ustálením hysterezní charakteristiky dynamickým rozcvičením o frekvenci 50Hz. Tato frekvence je zadaná zadavatelem diplomové práce. Jednotlivé měřené napínáky se budou typově lišit, takže je třeba vyřešit rychlou a snadnou možnost výměny uložení podle typu napínáku. 1.
Obr. 1: Pohled na napínák Daimler OM 651
1
ŘEŠENÍ PROBLÉMU
2.
2.1. Současný stav techniky V současnosti je měření hystereze prováděno přímo na výrobním stroji, kde se sestava napínáku montuje z několika základních dílů. Výrobní stroj jednou rozcvičí napínák, tedy provede zatížení a odlehčení. Po tomto zaběhnutí se provede vlastní měření hystereze rychlostí 0.1 m/s. To je obvodová rychlost ve středu kladky napínáku. Na výrobním stroji v současnosti není možné provádět více pracovních cyklů napínáku, protože by to výrazně zvýšilo jeho strojní čas, což je nepřípustné. Pro podrobnější měření existuje další měřící stroj, který je určen čistě na měření hystereze. Měřící stroj zabíhá a měří napínák stejnou rychlostí, to znamená, že měření o sto šedesáti pracovních cyklech trvá zhruba deset minut. Hlavní měřící pohyb stroje je vykonán servo motorem. Při počtu napínáků, které je třeba zkontrolovat, je možné použít stroj měřící hysterezi jen pro doplňková měření a testování, která se používají při nárazových měřeních. Není tak schopen změřit všechny napínáky, které jsou vyrobeny na výrobním stroji.
2.2. Analýza problému Pro správný a přesný návrh stroje je klíčové znát charakter a parametry procesu, který má stroj vykonávat. V tomto konkrétním případě, je jasně známý charakter zkoušených výrobků, které se budou vysokofrekvenčně testovat. Jedná se zjednodušeně o stlačování a odlehčování hmoty s pružinou a tlumením. Co se týče parametrů napínáku, už situace není tak snadno vyčíslitelná. Tuhost napínáku totiž není dána jen samotnou pružinou, ale i třecím elementem, který vyvozuje tlumení a ovlivňuje tuhost celého mechanismu. Navíc tlumení se zvyšuje s momentem vyvíjeným pružinou, protože je vyvozováno páskem přímo napojeným do série za pružinu. Jako nejspolehlivější postup se jeví experimentální měření daného typu napínáku a zjištění závislosti momentu napínáku na úhlu natočení. Pro získání závislosti momentu na úhlu natočení napínáku při měřící rychlosti 0,1m/s bylo provedeno experimentální měření přímo v Žebráku ve výrobní hale. Byly měřeny tří napínáky typu Dailmer OM651. Data získaná z měření byla vygenerována do textového formátu, aby mohla být zpracována v programu MS Excel. V něm bylo možné porovnání změn hystereze po každém rozcvičení u každého měřeného napínáku. V grafu je jasně patrné snížení rozsahu hystereze o 45%. Jestliže se podaří zpřesnit měření hystereze rozcvičením napínáku ustálením jeho hysterezní charakteristiky, mělo byt tak dojít k zpřesnění jeho měření a ke snížení zmetkovitosti. Z grafu 1Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je patrné snížení a vyrovnání hystereze po zaběhnutí o sto šedesáti pracovních cyklech. Vyšší Obr. 2 Data získaná z experimentálního měření počet pracovních cyklů již zřejmě nemá výraznější vliv na ustálení hystereze. 35 30
Moment napínáku [Nm]
25 20
Měření 1x Měření 11x
15
Měření 61x 10
Měření 161x
5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Úhel natočení napínáku [°] Graf 1: Vyrovnání hysterezní charakteristiky při zabíhání
2
Obr. 3: Rozstřel napínáku Daimler OM 651
2.3. Návrh funkční a orgánové struktury Vzhledem k tomu, že navrhovaný dynamický tester je experimentální a specifický mechanismus, je třeba k návrhu přistoupit komplexně a systematicky. Pro tento účel je popsán Transformační systém navrhované problematiky. A jsou definovány jednotlivé funkce, které jsou požadovány po obsluze, technickém systému stroje a navigačních systémech. V tomto přehledu bohužel není na jejich výčet prostor, je tedy vyobrazen jen samotný diagram transformačního procesu. Dále jsou definovány základní orgány, které budou tyto funkce zajišťovat.
Obr. 4: Diagram transformačního procesu [1]
Se získanými znalostmi a přehledem funkcí navrhovaného dynamického testeru jsou vytvořeny návrhy koncepcí základních částí dynamického testeru. V diplomové práci je vytvořeno sedm koncepcí tří základních částí testeru. Na základě jejich hodnocení je sestavena výsledná orgánová struktura dynamického testeru. Dále je proveden rozbor jednotlivých operací, které se budou při procesu zabíhání a měření napínáku řemene vykonávat. Tyto procesy jsou seřazeny a vytvořen diagram jejich posloupností a závislostí. Diagram je zobrazený níže. Obr. 5 Orgánová struktura navrženého dynamického testeru
3
2.4. Návrh a hodnocení úplné stavební struktury Návrh je rozdělen do konstrukce několika dílčích celků. Jedná se o návrh měřící hřídele, sestavy excentru, celého dynamického testeru a hysterezní stanice. Sestava měřícího hřídele musí umožnit uložení měřeného napínáku. Typ napínáku se může měnit, a proto je vhodné zajistit možnost výměny jeho uložení. Dále sestava musí obsahovat měřící element, který v závislosti na úhlu natočení bude měřit velikost kroutícího momentu na měřeném napínáku. Jako snímač momentu je použit typ TB1A od společnosti HBM. Snímač má horní hranici kroutícího momentu, který může měřit, o velikosti 200 Nm. Maximálním kroutící moment, při kterém může dojít k poškození snímače je 400 Nm. Maximální frekvence, při které může snímač měřit, je 65 Hz. Při frekvenci rotace excentru 50 Hz tak bude snímač schopen zjišťovat moment působící na měřící hřídeli. To může být výhodné pro zjištění přesné hodnoty momentu napínáku při vysokofrekvenčním zabíhání. Samotné odměřování úhlu natočení bude prováděno přímo servo pohonem. Toto odměření je pro danou aplikaci dostatečně přesné. Pro tlumení vibrací při vysokofrekvenčním zabíhání a kompenzování možných výrobních nepřesností, bude mezi hřídel a měřící element vložena spojka Rotex s označením: 24 92-Sh-A 1a1. Tato spojka se pomocí per připojí k měřící hřídeli a k horní přírubě Obr. 6: Pohled na sestavu měřícího hřídele snímače. Spojka umožňuje mírné vyosení a natáčení spojovaných prvků.
Obr. 8: Pohled bez stavěcího kotouče
Obr. 7: Řez sestavy excentru
Navržená sestava excentru je “samo“ vyvažovací. To znamená, že při nastavení velikosti excentricity se vzájemně nastaví kotouče excentru a díky jejich vzájemně posunutým osám rotace se těžiště excentru vždy nachází na ose jeho rotace. Po nastavení velikosti excentricity se sestava aretuje upínací maticí. Horní část hřídele excentru má osu rotace posunutou o 10 mm a zčásti tak vyvozuje excentricitu hřídele. Na této ose je uložena excentrická vložka, která svojí rotací kolem posunuté osy hřídele umožňuje vynulovat, nebo také zdvojnásobit jeho excentricitu. Celá jednotka dynamického testeru spojuje dvě výše navržené sestavy. Ty jsou uloženy ve svařencích, které jsou přišroubovány k základní desce. Kladka napínáku a řemenice excentru jsou spojeny řemenem. Celá sestava musí být navržená tak, aby odolala vysokofrekvenčnímu působení při zabíhání řemene.
4
Obr. 9: Jednotka dynamického testeru
V diplomové práci je poté proveden rozbor dynamického chování navrženého testeru. Dílčím cílem je predikování dynamického chování testeru a určení sil, které budou působit při vysokofrekvenčním zabíhání. Vstupní parametry napínáku byly zjištěny experimentálním měřením. Jak se ale později ukázalo, zejména jeho tlumení je výrazně závislé na rychlosti zatěžování. Proto jsou v diplomové práci vytvořeny dva výpočty. Prvním je analytický výpočet s uvažováním setrvačnosti hmot pomocí principu virtuálních prací [2]. Ten nebude uvažovat hysterezní vlastnosti napínáku. Druhým je pohybová simulace v programu NX9. Která poskytne podrobnější a komplexnější informace o rozložení a velikostech sil působících v dynamickém testeru. Obě simulace budou poté porovnávány, aby byla potvrzena rámcová podobnost jejich výsledků. Moment na hřídeli excentru, který vychází z rovnováhy virtuálních prací v mechanismu:
(1) Obr. 10: Model výpočtu
Při práci s pohybovou simulací bylo zjištěno, že výsledný průběh i velikosti porovnávaného momentu na hřídeli excentru se výrazně mění s nastavením tlumení napínáku řemene. Toto tlumení se navíc mění v čase, protože rychlost kladky zatěžování se kvůli typu mechanismu testeru s časem mění. Pro přesnou numerickou simulaci vysokofrekvenčního zabíhání napínáku řemene, je tak třeba experimentálního měření tlumení napínáku, které by simulovalo zkoumaný děj. Na základě vypočtených sil v mechanismu, bylo provedeno dimenzování a hodnocení navrženého dynamického testeru z hlediska deformací, napětí a vlastních frekvencí. Obr. 11: Porovnání analytického výpočtu a pohybové simulace Všechna tato hodnocení navržený dynamický tester splnil. Poslední částí návrhu je vytvoření celé hysterezní stanice, která ponese sestavu dynamického testeru. Stanici lze rozdělit na dvě pracoviště. Prvním z nich je pracovní prostor zabíhání a následného testování napínáku řemene. Druhým pracovištěm je vyhodnocovací počítač, který zaznamenává a vyhodnocuje naměřenou hysterezní charakteristiku. Následně generuje kód pro značení mikro bodem. Pokud naměřená charakteristika není v daných mezích a napínák je určen jako vadný, otevře se víko uzavírající prostor na zmetky. Když je do tohoto prostoru vložen nevyhovující napínák, sepne v něm senzor a víko je opět automaticky uzavřeno. Stanice je vybavena řadou doplňkových dílů. Obsahuje systém zpracovávací tlakový vzduch, který je rozváděn po výrobní hale. Systém reguluje tlakový vzduch pro jeho použití ve stroji. Na horní desce stolu jsou prvky pro připojení elektroinstalace. Dále stanice obsahuje vlastní rozvaděč.
Obr. 12: Navržená hysterezní stanice s dynamickým testerem
5
2.5. Závěr a doporučení Cílem diplomové práce bylo navrhnout mechanismu dynamického testeru, který bude vysokofrekvenčně zabíhat různé typy napínáků řemene o frekvenci 50 Hz. Při řešení diplomové práce byl kladen důraz na co nejkomplexnější návrh a řešení zadané problematiky. Za tímto účelem byly v práci popsány požadované funkce jednotlivých prvků a byl sestaven transformační systém, který tyto funkce musí vykonávat. V diplomové práci je také vytvořen podrobný rozbor problematiky, která se týká popisu dynamického chování testovaného napínáku řemene. V diplomové práci je proveden návrh stavební struktury dynamického testeru. Ten vychází z několika koncepčních variant jednotlivých konstrukčních částí. Velice zajímavá je konstrukce “samo“ vyvažovací sestavy excentru. Ta má nastavitelnou velikost excentricity od nuly do dvaceti milimetrů. Při každém nastavení excentricity je ale rotující sestava vyvážená. Toho je docíleno díky soustavě několika kotoučů, které mají navzájem posunuté osy rotace. Další výhodou navržené sestavy excentru je rychlé a přesné nastavení požadované hodnoty excentricity. Celou sestavu dynamického testeru, kromě příliš dlouhého servo motoru s převodovkou, lze složit mimo hysterezní stanici. Do stanice se pak vloží pomocí pomocného jeřábu, následně se k testeru připojí servo motor s převodovkou a připojí se elektrické a pneumatické prvky. Návrh konstrukce dynamického testeru je proveden se snahou co nejlepšího pochopení a popsání procesu, který bude tester vykonávat. Proto byl ve výrobním závodu společnosti Mubea v Žebráku proveden experiment, s cílem zjištění parametrů testovaného typu napínáku. Tyto parametry byly použity pro analytickou a numerickou simulaci. Analytický výpočet, pomocí principu virtuálních prací, byl srovnáván pro ověření s numerickou pohybovou simulací v programu NX 9. Cílem tohoto postupu bylo určení vlivu dynamických účinků, které budou vznikat při provozu dynamického testeru, na silové zatížení navrhovaného mechanismu. Jak se ale následně ukázalo, klíčovým faktorem je přesná znalost tlumení napínáku. Tlumení je vyvozováno třecí silou mezi plastovým kroužkem a stěnou horní pohyblivé části napínáku. Třecí síla je závislá na velikosti kroutícího momentu na napínáku a rychlosti zatěžování napínáku. Velikost tlumení napínáku zásadně ovlivňuje průběh i velikost silového zatížení působícího na mechanismus. Pro jeho přesné vyčíslení je ovšem třeba provést experimentální měření, které by získalo potřebné parametry napínáku do pohybové simulace. Hysterezní stanice, která obsahuje dynamický tester pro vysokofrekvenční zabíhání napínáku řemene, je pracoviště určené pro experimentální ověření vlivu zabíhání napínáku řemene, na měření jeho hystereze. Navržená sestava dynamického testeru může významným způsobem přispět ke snížení zmetkovitosti ve výrobě napínáků řemene z důvodu nevyhovující hystereze. Potvrzení tohoto předpokladu, mimo zjištění parametrů napínáku řemene, bylo cílem experimentálního měření v Žebráku. Toto měření potvrdilo, že se zvyšujícím počtem pracovních cyklů napínáku, jeho hysterezní charakteristika významným způsobem ustaluje a vyrovnává. Denní produkce napínáků řemene různých typů jen v Žebráku dosahuje objemu až třiceti tisíc kusů, snížení zmetkovitosti je proto velice důležité a přináší nezanedbatelný pozitivní finanční i ekologický dopad. PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval panu profesorovi Stanislavu Hosnedlovi a panu inženýrovi Petru Švingerovi, ze společnosti Mubea, za velice cenné zkušenosti nejen z oblasti navrhování a konstrukce úlohy řešené v mojí diplomové práci. V neposlední řadě bych rád poděkoval panu inženýrovi Petru Bernardinovi, za všechnu trpělivost a čas, které vyžadovaly naše společné konzultace. LITERATURA [1] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů, Přednáška z předmětu KKS/ZKM, ZČU, Plzeň, 2012. [2] Dupal, J.: Mechanika 3, Skripta ZČU v Plzni, Plzeň, 2012.
6
