MEZNÍ OHŘEV KULOVÉHO KLOUBU PŘI AKCELEROVANÉM TESTU

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

MEZNÍ OHŘEV KULOVÉHO KLOUBU PŘI AKCELEROVANÉM TESTU BALL-JOINT LIMITED HEATING DURING ACCELERATED TESTING

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. ONDŘEJ KŘÍŽ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2010

Ing. PAVEL RAMÍK

Vysoké uþení technické v BrnČ Fakulta strojního inženýrství

DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Abstrakt Cílem této práce je vytvoĜit model kulového kloubu a nadefinovat okrajové podmínky tak, aby co nejpĜesnČji odpovídal skuteþnému stavu a nastavit parametry testu, který je provádČn ve firmČ TRW-DAS, a.s. tak, aby nedocházelo k pĜeakcelerování a tím ke zmČnČ failure modu. V úvodu práce je rešerše zabývající se kulovými klouby, jejich testováním a obecnČ akceleraþními testy. Další þást je vČnována vytvoĜení modelu kloubu v Pro/Engineeru, jeho pĜevedení do Ansysu, kde je model pĜipraven pro výpoþet, vyhodnocení provedené únavové zkoušky a porovnání s vytvoĜeným modelem.

Klíþová slova Kulový kloub, akceleraþní test, mezní ohĜev, 3D model, MKP

Abstract The object of this work is design model of ball joint and define boundary conditions for real condition representation as most exact as possible. Then set parameters of test in TRW-DAS, a.s. for prevention of reacceleration with change of failure mode. Summary of ball joints, their testing and accelerated tests is in the beginning of the work. Next part describes ball joint creation in Pro/Engineer, transfer to Ansys, preparing to solution, fatigue test evaluation and comparing with create model.

Key words Ball joint, accelerated test, limited heating, 3D model, FME

Brno, 2010

1


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Bibliografická citace KěÍŽ, O. Mezní ohĜev kulového kloubu pĜi akcelerovaném testu. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 62 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Pavel Ramík.

Brno, 2010

2


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Prohlášení autora o pĤvodnosti práce Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval zcela samostatnČ pod vedením vedoucího práce Ing. Pavla Ramíka. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využil, jsou uvedeny v seznamu použité literatury.

V BrnČ 26. kvČtna 2010

Brno, 2010

…………………………. OndĜej KĜíž

3


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

PodČkování Za pomoc, cenné pĜipomínky a rady pĜi zpracování diplomové práce tímto dČkuji vedoucímu mojí diplomové práce panu Ing. Pavlu Ramíkovi. Dále bych chtČl podČkovat Ing. Janu Ludvíkovi Ph.D. a dalším zamČstnancĤm TRW DAS, a.s. za pomoc pĜi mČĜení bČhem testĤ. ZvláštČ bych chtČl podČkovat svým rodiþĤm za podporu a trpČlivost bČhem celé doby mého studia.

Brno, 2010

4


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obsah 1. Úvod ................................................................................................................... 7 2. ěízení ................................................................................................................. 9 2.1. Požadavky na Ĝízení .................................................................................... 9 2.2. Geometrie Ĝízených kol ................................................................................ 9 2.3. Mechanismus Ĝízení ....................................................................................10 2.4. Díly Ĝízení....................................................................................................11 3. Kulové klouby ....................................................................................................11 3.1. Souþasné kulové klouby .............................................................................13 4. Testování kulových kloubĤ ................................................................................15 4.1. Úþel testování .............................................................................................15 4.2. RozdČlení kloubĤ podle zatížení .................................................................15 4.3. Druhy testĤ .................................................................................................15 4.3.1 Testy pohyblivosti kloubĤ ......................................................................15 3.3.2 Test opotĜebení kloubu..........................................................................17 3.3.3. Zkouška tČsnosti ..................................................................................17 4.3.4 Kvazistatická pevnost (tuhost, stabilita).................................................19 4.4 PĜíklad testu mazání kulových kloubĤ ze SAE 2003-01-3668 [7].................21 5. Akceleraþní testy ...............................................................................................24 5.1. Životnost produktu ......................................................................................24 5.2. Výhody ........................................................................................................24 5.3. Nevýhody ....................................................................................................24 5.4 Druhy poškozujících faktorĤ.........................................................................25 5.4.1 Kmitání ..................................................................................................25 5.4.2 Teplota ..................................................................................................25 5.4.3 Elektrické zatížení .................................................................................26 5.4.4 Další druhy zatížení...............................................................................26 5.4.5 Kombinované prostĜedí .........................................................................26 5.5 Druhy testĤ ..................................................................................................27 5.5.1 Testy do pĜežití ......................................................................................27 5.5.2 Testy do zniþení ....................................................................................27 5.5.3 Step-load testy ......................................................................................27 5.5.4 Degradaþní testy ...................................................................................27 5.6 Matematické modely ....................................................................................27 5.6.1 Lineární akcelerace ...............................................................................27 5.6.2 ArrheniĤv model ....................................................................................28

Brno, 2010

5


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

5.6.3 EyringĤv model ..................................................................................... 28 5.6.4 Model pro šíĜení trhliny ......................................................................... 28 4.6.5 Model pro elektroniku (zmČna napČtí) .................................................. 29 6. VytvoĜení 3D modelu ........................................................................................ 30 6.1 PĜevedení 3D modelu do MKP .................................................................... 32 7. VytvoĜení výpoþtového MKP modelu ................................................................ 35 7.1 Upravení modelu pro výpoþtovou síĢ .......................................................... 35 7.2 VytvoĜení výpoþtové sítČ ............................................................................. 36 7.2.1 Zvolení prvkĤ sítČ ................................................................................. 36 7.2.2 Materiálové modely .............................................................................. 37 7.2.3 Meshing modelu ................................................................................... 37 7.3 Definování okrajových podmínek ................................................................ 39 7.3.1 PĜíprava modelu pro jednodušší odladČní ............................................ 39 7.3.2 Výpoþet koeficientu pĜestupu tepla ....................................................... 42 8. Upravení modelu podle provedeného mČĜení a MKP výpoþet.......................... 44 8.1 Provedení únavové zkoušky a mČĜení ........................................................ 44 8.2 Další dvČ únavové zkoušky a mČĜení.......................................................... 47 8.3 Výpoþet výkonu dodaného do kloubu ......................................................... 49 8.3 MKP výpoþet ............................................................................................... 51 8.3.1 Výpoþet prĤbČhu teplot pĜi vypoþítaném výkonu .................................. 51 8.3.2 Výsledky výpoþtĤ pro odladČní modelu ................................................ 52 8.3.3 OvČĜení nastavení modelu ................................................................... 53 8.3.4 Hodnoty parametrĤ ovČĜených výpoþtem ............................................. 56 8.3.5 Doporuþená maximální hodnota výkonu pĜivedeného do kloubu ......... 57 10. ZávČr .............................................................................................................. 59 Použité zdroje ....................................................................................................... 61 Seznam použitých jednotek a veliþin .................................................................... 62

Brno, 2010

6


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

1. Úvod PĜi rozhodování o tématu diplomové práce jsem si vybral diplomovou práci ve spolupráci s firmou TRW-DAS Daþice s.r.o. Vybral jsem si ji, protože si myslím, že tímto získám první zkušenosti se spoluprací s odborníky z praxe a tím, jak to chodí ve velké nadnárodní spoleþnosti. Dalším dĤležitým faktorem pro výbČr diplomové práce s firmou bylo, že problém, který budu Ĝešit, se aplikuje pĜímo v praxi. ZároveĖ si myslím, že diplomová práce ve spolupráci s firmou je i velkým plus pĜi hledání budoucího zamČstnání. Což je v dobČ ekonomické recese také dĤležitý faktor.

Obr. 1.1 Testovaný kulový kloub firmy TRW Ve firmČ TRW-DAS,a.s. vyrábČjí kulové klouby pro rĤzné typy vozidel. Kloub, který budu Ĝešit je montován do užitkových vozĤ (obr. 1.1). PĜi akcelerování únavové zkoušky tohoto kulového kloubu se používají dvČ varianty konfigurace testu. První varianta s nastavením F=18 kN, f=5 Hz má požadavek vydržet minimální poþet cyklĤ n=10 000, druhá varianta F=10 kN, f= 10 Hz, n= 200 000. PĜi první variantČ dochází k pĜeakcelerování testu a tím ke zmČnČ poruchy (failure mode). Oþekávaná porucha je prasknutí hlavy kloubu (obr. 1.2), ale kvĤli pĜedimenzovanému zatížení dochází ke vzniku velkého tepla a následnému vytavení plastové misky. Tento failure mode ve skuteþném provozu nikdy nenastane, a proto se konfigurace druhé varianty testu musí upravit tak, aby failure mode odpovídal skuteþnosti.

Brno, 2010

7


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 1.2 Prasknutí hlavy testovaného kloubu

Mým úkolem je vytvoĜit 3D model podle výkresĤ, které dostanu. Tento model potom pĜevedu do MKP, kde musím nadefinovat okrajové podmínky a zatížení. Aby nastavení okrajových podmínek odpovídalo realitČ, potĜebuji provést mČĜení bČhem této zkoušky. Zkouška probČhne v TRW-DAS, a.s a budeme mČĜit teploty na rĤzných místech kloubu a výchylku hlavy v prĤbČhu celé zkoušky. Poté nastavíme model a namČĜené teploty porovnáme s teplotami na modelu. Dalším krokem bude provedení další únavové zkoušky pĜi jiné konfiguraci pro ovČĜení funkþnosti modelu. Výsledkem budou mezní parametry testu nastavené tak, aby nedocházelo k pĜeakcelerování a zároveĖ test probíhal co nejrychleji.

Brno, 2010

8


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

2. ěízení „ěízení slouží k udržování nebo ke zmČnČ smČru jízdy vozidla. Jsou dvČ konstrukþní Ĝešení. První varianta, Ĝízení celou nápravou, se používá u obvykle jen u nákladních pĜívČsĤ. U motorových vozidel se používá druhá varianta, Ĝízení jednotlivými koly. Vozidla jsou Ĝízena natáþením pĜedních kol kolem rejdového þepu (osy Ĝízení). Pokud má nákladní vozidlo dvČ pĜední nápravy, tak se natáþejí obČ dvČ. ěízení zadních kol bylo vyvinuto už i u osobních automobilĤ, ale používá se pouze u pracovních strojĤ a dlouhých návČsĤ. V souþasnosti se zavádí tzv. aktivní Ĝízení pĜedních kol [2].“ Podle zpĤsobu ovládání rozlišujeme: • Ĝízení pĜímé, ovládané silou Ĝidiþe • Ĝízení s posilovacím zaĜízením (servoĜízení), kdy pohybem volantu je ovládán posilovaþ, který pak Ĝídí kola

Obr. 2.1 Schéma funkce dvou druhĤ Ĝízení: a) Ĝízení pĜedními koly; b) Ĝízení celou nápravou [2]

2.1. Požadavky na Ĝízení „ěízení musí splĖovat dané požadavky jako snadná a bezpeþná ovladatelnost, samovolné vracení kol do smČru jízdy, vĤle pro dané rychlosti, poþet otáþek pro vychýlení kola, posilovaþ pro vozidla s hmotností 3,5 tuny pĜipadající na Ĝízenou nápravu atd. Musí také splĖovat homologaþní pĜedpisy Evropské hospodáĜské komise (EHK) OSN R 12 a R79 [2].“

2.2. Geometrie Ĝízených kol „Pro pĜesné, lehké a stabilní Ĝízení a zajištČní odvalování kol pĜi zatáþení a pĜímé jízdČ mají Ĝízená kola a rejdové osy urþité geometrické odchylky od svislé roviny. PĜíslušné veliþiny: úhel odklonu kola, pĜíklon, rejdové osy, polomČr rejdu, záklon rejdové osy, závlek a úhel sbíhavosti [2].“

Brno, 2010

9


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

2.3. Mechanismus Ĝízení „Natoþení Ĝízených kol musí splĖovat urþité geometrické podmínky, aby se kola pouze odvalovala a nevznikalo smýkání pneumatik. PĜedpokládáme-li, že kola jsou boþnČ nepoddajná, musí stĜed otáþení vozidla ležet na prodloužené ose zadní nápravy (Ĝízena pĜední kola). Potom hovoĜíme o teoretické AckermannovČ geometrii Ĝízení (obr. 2.2) [2].“

Obr. 2.2 Ackermanova geometrie Ĝízení [2]

Obr. 2.3 Skuteþná geometrie Ĝízení [2]

„Ackermannova teorie platí pĜesnČ pouze pro pomalou jízdu a tuhá kola. Ve skuteþnosti pĜi zatáþení vlivem odstĜedivé síly a pružnosti pneumatik vznikají na všech kolech úhly smČrových úchylek Įi (obr. 2.2) a skuteþný stĜed otáþení Os mĤže ležet napĜíklad pĜed teoretickým stĜedem Ot [2].“ „UspoĜádání mechanismu Ĝízení (poþet tyþí, táhel a pák) závisí na druhu zavČšení (závislé, nezávislé) a použité pĜevodce Ĝízení. U mechanismĤ Ĝízení s pĜevodkou Ĝízení s otoþným pohybem rozeznáváme protibČžné a stejnobČžné provedení [2].“

Obr. 2.4 Názvosloví Ĝízení motorového vozidla [2]

Brno, 2010

10


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

2.4. Díly Ĝízení • • • • •

Kulové klouby ěídící tyþe Sloupek Ĝízení, volantový hĜídel PĜevodky Ĝízení Posilovaþe Ĝízení

3. Kulové klouby „Ke kloubovému spojení jednotlivých dílĤ mechanismu Ĝízení (pák, tyþí, táhel) se používají kulové klouby. DĜíve používané mazané klouby (obr. 3.1) se dnes používají jen na Ĝídicích tyþích u strojĤ pracujících ve zneþištČném prostĜedí (stavební stroje, traktory) [2].“ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

ocelová miska šroubový uzávČr hlava kloubu kuželová pružina miska pružná tČsnící manžeta tlaková maznice

Obr. 3.1 Mazaný kulový kloub [2]

„V souþasnosti se používají trvale mazané klouby, které nevyžadují údržbu. Na obr. 3.2 je trvale mazaný kloub pro Ĝídící a spojovací tyþe Ĝízení, který má mezi hlavicí kloubu a kulovým þepem dvČ ocelové misky. Tento kloub s ocelovými miskami se používá u nákladních nebo závodních automobilĤ, když je vyžadována vysoká tuhost kloubĤ [2].“

Obr. 3.2 Trvale mazaný kulový kloub [2]

Brno, 2010

11


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

„Další variantou kulového kloubu je kloub s ocelovými kluznými miskami (obr. 3.3), který má navíc velmi malou poddajnost v boþním svislém smČru. Proto se používá u spojovacích a Ĝídících tyþí nákladních vozidel. U nákladních automobilĤ se používá také kulový kloub „pre-cap“ (obr. 3.4), kde tvoĜí kluznou dvojici ocel a polyetylén a je proto cenovČ výhodnČjší. ObČ varianty mají trvalou mazací náplĖ [2].“ „U mechanismĤ Ĝízení majících pĜevodky Ĝízení s otoþným pohybem se používá hlavní páka Ĝízení a pomocná páka Ĝízení, které se prakticky jen paralelnČ natáþí a nejsou kloubovČ namáhány. Proto se mohou použít jednoduché kulové klouby (obr. 3.5). Tento kloub má polyuretanovou vložku a umožĖuje úhel odklonČní od svislice ±7° [2].“

Obr. 3.3 PĜesný kulový kloub s ocelovými miskami [2]

Obr. 3.4 Kulový kloub s jednodílnou polyetylenovou vložkou [2]

Obr. 3.5 ýepový kloub a polyuretanovou miskou [2]

„U mechanismĤ Ĝízení s hĜebenovou pĜevodovkou se používají axiální kulové þepy (obr. 3.6). ýep je boþnČ pĜišroubován k ozubené tyþi nebo mĤže být závit pro pĜipojení k ozubené tyþi v hlavici kloubu (obr. 3.6 vpravo) [2].“

Obr. 3.6 Axiální kulové klouby pro pĜipojení Ĝídících tyþí k ozubené tyþi hĜebenové pĜevodky Ĝízení [2]

Brno, 2010

12


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

3.1. Souþasné kulové klouby V souþasnosti se používá mnoho druhĤ kulových kloubĤ. Tyto typy kulových kloubĤ se v souþasnosti vyskytují nejvíce v TRW – DAS Daþice a.s. • IBJ (Inner ball joint) • OBJ(Outer ball joint) • SBJ (Suspension ball joint) • PBJ (Pillow ball joint) • CA (Control arm)

Obr. 3.7 PĜíklady kulových kloubĤ TRW [5]

Obr. 3.8 ěez kulovým kloubem (SBJ) 1 - þep kloubu se závitem, 2 – tČsnící manžeta, 3 – hlava kloubu (housing), 4 – plastová miska [5]

Brno, 2010

13


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 3.9 Kulový kloub OBJ s popisem jeho þástí [3]

Obr. 3.10 ZavČšení pĜedních kol a ukázka použití kulových kloubĤ[6]

Brno, 2010

14


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

4. Testování kulových kloubĤ Do této kapitoly jsem þerpal z podkladĤ o testování kulových kloubĤ v TRWDAS a.s, Suspension joint AK-LH 14 [4].

4.1. Úþel testování Požadavky na spolehlivost Ĝízení a jeho souþástí jsou vysoké a proto musí být každá souþást kompletnČ pĜezkoušena pĜed tím, než se odešle od dodavatele k zákazníkovi. DĤležité je sestavení testovacího plánu, který je sestavený ve spolupráci dodavatele s výrobcem vozidel.

4.2. RozdČlení kloubĤ podle zatížení • • •

Kloub zatížený pĜevážnČ radiální silou Kloub zatížený pĜevážnČ axiální silou Kloub zatížený radiální a axiální silou

Obr. 4.1. RozdČlení kulových kloubĤ podle smČru zatížení [4]

4.3. Druhy testĤ 4.3.1 Testy pohyblivosti kloubĤ Testovaný kloub je upevnČn tak, aby se jeho funkce v porovnání s upevnČním ve vozidle nezmČnila. Požadavky musí být splnČny bez ohledu na to, jestli se jedná o rotaþní nebo vyklápČcí pohyb. ZjišĢujeme maximální toþivý moment, kterým se pohybuje kulový þep v hlavici a klopný moment potĜebný k uvedení kulového þepu do pohybu v jedné rovinnČ (viz obr. 4.2 Tilting).

Brno, 2010

15


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 4.2 Test pohyblivosti kloubu [4]

Obr. 4.3 Výpoþet dráhy propružení [4]

Moment pro odtržení MČĜíme maximální moment nutný k utržení kloubu pĜi zatuhnutí tuku mezi pouzdrem a þepem. Test zahrnuje - 5 vyklopení v celém rozsahu pohybu od nulové polohy - 5 otoþení kolem hlavní osy (360°) v maximální vyklon Ční kloubu Charakteristika síla – dráha

Brno, 2010

Radiální - Kloub zatížíme v radiálním smČru (v ose hlavy) a mČĜíme radiální posuv (vĤli) kulového þepu vĤþi hlavČ kloubu. Axiální - Kloub zatížíme v axiálním smČru (v ose kulového þepu) a mČĜíme vĤli kulového þepu vĤþi hlavČ.

16


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Data vyznaþená v grafu: - odchylka stlaþení jako vzdálenost hysterezního vrcholu - elasticita ǻs jako šíĜka hystereze zmČny síly - minimální tuhost cmin jako hodnota intenzity ploché kĜivky. Obr. 4.4 ZnázornČní elasticity v grafu Síla / dráha [4]

3.3.2 Test opotĜebení kloubu Díky pohybu pinu v plastové misce vzniká v obou dílech vzájemné opotĜebení. Protože je plastová miska z výraznČ mČkþího materiálu, dochází u ní k vyššímu opotĜebení. PĜi vniknutí cizorodé þásti mezi kluzné plochy se opotĜebení výraznČ zvýší. StejnČ jako u pĜedchozích typĤ testĤ musí uložení kloubu korespondovat s uložením ve vozidle a musí být zachovány kinematické vztahy z vozidla. BČhem testu musí být zachována pĜedepsaná teplota a zároveĖ je pĜedepsáno i pĤsobištČ síly. V testu popsaném v SAE paperu 2003-01-3668 High Performance Ball Joint je ukázána závislost opotĜebení kloubu na volbČ maziva a materiálu vložky. Tento pĜíklad je uveden na konci kapitoly.

3.3.3. Zkouška tČsnosti Slouží k ovČĜení tČsnosti všech kloubĤ v provozním stavu. Test se provádí na kompletnČ vybaveném kloubu s originálními komponenty. Prachovka musí být namontována a umČle vystárnuta v 70°C po 7 dn Ĥ. Požadavky na tČsnost: - žádné trhliny, nebo jakékoli poškození prachovky - žádná ztráta maziva - zamezení pĜístupu vody ke kloubu - snížit obsah vody v mazivu na ménČ než 0,6 hmotnostního procenta - žádná koroze kloubu uvnitĜ utČsnČné þásti. 3.3.3.1 Simulace vnČjšího prostĜedí (environmentální) 3 - cyklový test kombinující rotaþní, výkyvný a vertikální pohyb. Teplota a vlhkost jsou regulovány v pĜedepsaném rozmezí. Kloub je ve druhém a tĜetím cyklu kropen srážkovou vodou. V tĜetím cyklu zahrnuje celkový test dohromady 80 Brno, 2010

17


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

opakování a trvá dohromady 20 dní (test v TRW). NČkteré vzorky kloubu jsou podrobeny i þtvrtému cyklu, pĜi kterém je kloub upevnČn v maximální úhlové odchylce a je na nČj stĜíkána þistá voda, do které mĤže být pĜidán barvící þinitel.

Obr. 4.5 Nastavení kloubu pĜi 2. a 3. cyklu [4]

Obr. 4.6 Nastavení kloubu pĜi 4. cyklu[4]

3.3.3.2 Funkþní test prachovky BČhem testu je kloub plnČ ponoĜen v kapalinČ (voda nebo smČs vodaglykol) a zkoušen rotaþním a výkyvným pohybem. 3.3.3.3 Vysokotlaký þistící test Kloub je upevnČn na otoþném stole ve dvou rĤzných polohách a vystaven vysokotlakému proudu vody, který smČĜuje na prachovku. 3.3.3.4 Tlaková zkouška víka hlavy Testovací zaĜízení se skládá ze zvonu pro ustálení polohy kloubu s pĜívodem pro stlaþený vzduch a zaĜízení pro pozorování úniku vzduchu. Tlak na víþko musí být udržován nejménČ 60 s. Až do tlaku 7 barĤ nesmí uniknout žádný vzduch.

Obr. 4.7 Parametry tlakové zkoušky víka hlavy [4]

Brno, 2010

18


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

4.3.4 Kvazistatická pevnost (tuhost, stabilita) Je nutný záznam charakteristiky síla / dráha. Hodnoty sil jsou pĜedepsané. 4.3.4.1 Vytrhávací a vymaþkávací síla z kloubu ZjišĢujeme minimální sílu, která vede k vytrhnutí (smČrem k manžetČ) nebo k vytlaþení (smČrem k víþku) kulového þepu z hlavy. 4.3.4.2 Permanentní deformace kulového kloubu Upnutí kloubu musí být v souladu s umístČním ve vozidle.

Požadavky: -

minimální síla Fmin (bez permanentní deformace) potom je kloub zatČžován, dokud nepraskne nebo se nezniþí ĺ min. lomová síla Fvers musí být vykreslena charakteristika síla – dráha

Obr. 4.8 Test kulového kloubu [4]

4.3.4.3 Rázová zkouška Zkouška se provádí na rázovém kyvadle nebo ekvivalentním pĜístroji. Je uskuteþnČna na kompletním kloubu. Konfigurace testu je závislá na kvalitativních specifikacích pro podvozkové komponenty sdružených s kloubem. 4.3.4.4 Únavový test Podvozkové komponenty nejsou namáhány konstantními silami (rĤzná rychlost, zatáþení, nerovná vozovka), což se projevuje na zvýšené únavČ materiálu. Zákazník požaduje garantovanou minimální životnost, která se urþuje z tČchto testĤ. Síla se v þase mČní podle zadané kĜivky (sinusoida, náhodné hodnoty, atd.) a pĤsobí na tČleso v pĜedepsaném místČ tak, aby zatížení odpovídalo skuteþným provozním podmínkám. Testovaný vzorek musí vydržet urþitý minimální poþet cyklĤ Nmin bez poruchy. PĜi akcelerování testu se zvýší poþet cyklĤ a síla. Zkouška je ukonþena pokud dojde k porušení (lomu) nebo vzorek vydrží požadovaný poþet cyklĤ bez porušení. Získané hodnoty se potom vyhodnotí pomocí Weibullova nebo log-normálního rozdČlení.

Brno, 2010

19


OndĜej KĜíž

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 4.9 PĜíklady zatČžování [4]

4.3.4.4 Ohybová zkouška kuželu PĜi testu je kužel kloubu upevnČn v tvrzeném pĜípravku. Síla pĤsobí v tČžišti koule ve smČru kolmém na osu (viz obr. 4.9). BČhem testu se zaznamenává kĜivka síla / dráha. PĜedepsané hodnoty testu - testovací rychlost kvazistatická - utahovací moment - tvrdost držáku - teplota

vB MA T

[mm/min] [Nm] [HRC] [°C]

ZjišĢované hodnoty: - síla do poruchy (dokud nejsou viditelné trhliny nebo lom) - zaþátek plastické deformace - celková plastická deformace

Brno, 2010

F

[kN]

Fv sv

[kN] [mm]

20


OndĜej KĜíž

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 4.9 Ohybová zkouška kuželu [4]

4.4 PĜíklad testu mazání kulových kloubĤ ze SAE 2003-01-3668 [7] Pro zajištČní potĜebné spolehlivosti kulových kloubĤ je nutné zajistit ochranu proti zneþištČní. Klouby jsou bČhem doby používání vystaveny rĤzným vlivĤm (voda, sĤl, špína a dalším). ZneþištČní výraznČ zvyšuje tĜení a tím klesá životnost. Proto musí výrobci vČnovat znaþné úsilí vývoji mazání kloubu. Tímto problémem se zabývá tribologie. Charakteristiku mazání ovlivĖují rĤzné aspekty jako: viskozita, kompaktnost gumy a platu, odolnost proti chemickým látkám a tepelná stabilita. Cílem je vyvinout mazání, které zvýší odolnost proti opotĜebení a životnost. Toho se dosáhne kontrolou opotĜebení na stykových plochách pĜi konstantním krouticím momentu a zneþištČném vnitĜku kloubu tĜeba vodou za nízké a vysoké teploty. Polyglycon Silikon Syntetický uhlovodík Fluoether Syntetický ester Polyphenyleter

Obr. 4.10 Pracovní teplota rĤzných maziv [°C] [7]

Brno, 2010

21


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Výsledky testu maziva na silikonové a uhlovodíkové byly porovnány s konvenþním minerálním tukem. V testu ze SAE paperu 2003-01-3668 High Performance Ball Joint testovali tĜi druhy maziv. Mazivo 1: Syntetické mazivo na silikonové bázi s pĜídavkem PTFE (Polytetrafluoretylen, teflon) a s vysokou viskozitou od 200 do 650. Toto mazivo je odolné proti vodČ a je mechanicky stálé i ve velkém tepelném rozsahu (40 až 200°C). Sou þasnČ je kompatibilní s nČkolika plasty a elastomery. Mazivo 2: Syntetické mazivo na bázi PAO (poly alfa olefin) s pĜídavkem PTFE s viskozitou od 125 do 250. Je použitelné v provozních teplotách od -20 do 125°C a je omezenČ kompatibilní s plasty a elastomery. Mazivo 3: Tuhé mazivo na bázi lithného mýdla s antioxidaþními a antikorozními aditivy je použitelné v rozsahu teplot od -20 do 120°C a je omezen Č kompatibilní s plasty a elastomery. V testovaných kulových kloubech byly použity dvČ rĤznČ vyztužené plastové vložky. ObČ vložky byly z materiálu na POM bázi kvĤli zvýšení odolnosti proti tĜení, opotĜebení a únavČ. Rozdíl byl v koncentraci ztužujícího prvku. Byla testována vložka s vyšší a nižší koncentrací. Vložka A:POM vložka s vyšší koncentrací ztužujícího prvku mČla tvrdost 70 až 75 Shore D a pevnost v tahu vyšší než 60 MPa. Vložka B: POM vložka s nižší koncentrací mČla tvrdost nižší než 70 až 75 Shore D a pevnost v tahu vyšší než 60 MPa. V testu byly zkoušeny tĜi rĤzné systémy mazání. 1. mazivo 1 s vložkou A 2. mazivo 2 s vložkou B 3. mazivo 3 s vložkou B Experimentální þást testu Vzorky byly vystaveny teplotČ 70°C po dobu 168 hodin v cirkula þní komoĜe þímž došlo k umČlému zestárnutí vzorku.

Obr. 4.11 Testovaný vzorek v testovacím zaĜízení [7]

Brno, 2010

22


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Test spolehlivosti mČl následující parametry: -

axiální zatížení F1 = 0,2 až 1,0 kN s frekvencí 0,33 ± 0,05 Hz radiální zatížení F2 = 2,0 až 5,0 kN se stejnou frekvencí. Oscilaþní (ș1) a rotaþní (ș1) pohyb jsou oba v rozmezí ± 15 stupĖĤ s frekvencí pro oba pohyby 2,0 ± 0,33 Hz a 0,5 ± 0,1 Hz samostatnČ (Obr 4.12).

Obr. 4.12 Kulový kloub [7]

Systém 1 vyšel v testu nejlépe a nejhĤĜe systém 3. Z výsledkĤ plyne, že je velice dĤležité zvolit správný systém mazání a že peþlivý výbČr plastové vložky a maziva mĤže významnČ zlepšit životnost a odolnost proti opotĜebení u kulových kloubĤ.

Brno, 2010

23


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

5. Akceleraþní testy Požadavky na životnost mnoha komponent jsou dnes delší než 10 a více let. Výrobce musí garantovat spolehlivost, životnost a funkþnost po celou dobu a v rĤzných podmínkách použití (napĜ. automobil je používán na severu Norska a na Sicílii). Pro to, aby byl výrobce úspČšný, musí vyvíjet nové produkty rychleji než konkurence. ZpĤsob jak toto zajistit je využití akceleraþních testĤ. Akceleraþní testy slouží k vyvození požadované poruchy (failure mode) mnohem rychleji než v reálném použití. Vyšší hodnota zatížení snižuje þas zkoušky a tím náklady na vývoj produktu. Snížení ceny je hlavní dĤvod proþ se akceleraþní testy používají a jsou stále populárnČjší v prĤmyslu [1].

5.1. Životnost produktu Životnost produktu se mĤže mČĜit v hodinách, kilometrech, mílích, cyklech a dalších metrických veliþinách. Bod ohraniþující životnost se obvykle nazývá „þas do poruchy“. Urþení doby životnosti pomocí akceleraþních testĤ mĤže být obtížné. NapĜíklad brzdy jsou designovány na 10 let. Akceleraþní test musí zahrnout profil Ĝidiþe, poþet aplikací brzd, použití parkovací brzdy a další faktory, které ovlivĖují životnost. K testu je potĜeba mít data ze skuteþného používání, podle kterých se mĤže urþit poþet cyklĤ, které budou nejblíže skuteþnému poþtu. Vysoký poþet cyklĤ dává pĜesnČjší výsledky, ale prodlužuje þas a zvyšuje cenu. V akceleraþním testu se eliminují þasové prodlevy mezi cykly. To ale vede ke zkresleným výsledkĤm. NapĜíklad test pantĤ u dveĜí automobilu zahrnuje 38000 cyklĤ (otevĜení/zavĜení) bČhem 12 hodin. Panty se bČhem testu nemohou ochladit, jako ve skuteþnosti a neobsahují korozi ani další zneþištČní. Podobný problém je u testĤ motoru nebo startéru. S tČmito problémy se musí pĜi návrhu akcelerovaného testu poþítat a snažit se zkreslení výsledkĤ co nejlépe eliminovat [1].

5.2. Výhody Hlavní výhodou akceleraþních testĤ je bezpochyby snížení nákladĤ na testování a tím koneþnou cenu výrobku. Snížení ceny výrobku se pozitivnČ projeví na spokojenosti zákazníka. Akceleraþní testy také umožĖují zhodnotit konfiguraci daného komponentu rychleji než simulováním reálných podmínek zatížení. Další výhodou mĤže být možnost použití konfigurace jednoho testu na podobný produkt, þímž se opČt snižují náklady [1].

5.3. Nevýhody U akceleraþních testĤ je nČkdy velice obtížné nastavit konfiguraci testu tak, aby nedošlo ke zkreslení výsledkĤ. PĜi snaze zkrátit þas testu na co nejkratší dobu hrozí také pĜeakcelerování testu pĜi, kterém se mČní failure mode. NČkdy je velice obtížné urþit hranici pĜi, které k tomu dochází. PĜíkladem je testování kulového kloubu, kterému se vČnuje tato diplomová práce.

Brno, 2010

24


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

5.4 Druhy poškozujících faktorĤ 5.4.1 Kmitání Kmitání je asi nejkomplexnČjším zpĤsobem zatČžování. Vibrace se nevyskytují pouze v jedné frekvenci, ale celém rozsahu najednou. Toto nazýváme spektrum kmitání. Kmitání má sinusový nebo náhodný prĤbČh [1]. Druhy kmitání: • Mechanické kmitání – používá se nejþastČji k testování nezajištČného nákladu. ZjišĢuje se, jestli napĜ. dopravní kontejner pĜeþká pĜepravu bez poškození [1]. •

Pneumatické kmitání – využívají vzduch jako pohon. Pneumatické systémy nejsou drahé a jsou jednoduché na použití. Jsou používány napĜíklad na otevírání a zavírání dveĜí. Mají horní limit frekvence pĜibližnČ 1 Hz, proto mají malý rozsah uplatnČní. Hodí se spíše pro cyklické zatČžování. UmožĖují použití v širokém rozsahu délky zdvihu a velikosti síly [1].

•

Elektrodynamické kmitání – používané zaĜízení se nazývá elektrodynamický budiþ kmitĤ, který je Ĝízený zesilovaþem. UmožĖuje vysokofrekvenþní vstupy. Je vhodné pro testování elektronky [1].

•

Hydraulické kmitání – Lineární akþní þlen je ovládán hydraulickým þerpadlem. Pomocí poþítaþe se ovládá prĤbČh kmitĤ, síla, velikost tlaku kapaliny. Tento systém se mĤže použít na testy s velkým zatížením. Frekvenþní rozsah je mezi 2 až 40 Hz [1].

•

Mechanické rázy – mechanický ráz mĤže být vyvozen pomocí mechanického nebo elektrodynamického budiþe kmitĤ. [1].

5.4.2 Teplota NapČtí mĤže být indukováno teplotními zmČnami. Komponenty jsou vyrobeny z rĤzných materiálĤ, které mají odlišné koeficienty tepelné roztažnosti. Komponenty jsou vystaveny rĤzným tepelným prostĜedím, které vyvolávají rĤzná napČtí v þástech sestavy. NapĜíklad ocelová souþást vystavena nízké teplotČ ztrácí tažnost [1].

Brno, 2010

25


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Druhy teplotního zatížení: •

Ustálený stav – je používán k urþení provozuschopnosti v extrémních podmínkách. Používají se nízkoteplotní a vysokoteplotní testy. Nízkoteplotní ke zhodnocení použití v arktických podmínkách (kĜehnutí materiálu). Vysokoteplotní ke zhodnocení použití v tropických podmínkách (materiály mohou mČknout) [1].

•

Cyklická zmČna teploty – urþuje chování vzorku vystavených extrémním teplotním zmČnám. Test se provádí ve speciální teplotní komoĜe, která umožĖuje extrémní teploty a jejich rychlou zmČnu. Komora využívá dusíkovou atmosféru kuli problémĤm s vlhkostí a kondenzací [1].

•

Teplotní šok – bČhem toho testu je testovaný vzorek pĜemístČn co nejrychleji z jedné komory do druhé. Komory mají opaþnČ extrémní teploty. Komory mívají rĤzná prostĜedí jako: vzduchvzduch, vzduch-kapalina, kapalin-kapalina [1].

5.4.3 Elektrické zatížení Elektrická rázová zkouška je používána pro zjištČní elektrických limitĤ vzorkĤ. Jeden druh testĤ využívá pracovní obČh a druhý krajní limit napČtí. Využívá se v kombinaci s teplotou a kmitáním. Kombinace zatČžujících faktorĤ zvyšuje úþinnost testování. Tyto testy se používají pro testování polovodiþĤ [1].

5.4.4 Další druhy zatížení Ve skuteþnosti je mnohem více druhĤ zatíženi než jen kmitání, teplota a elektrické zatížení. I ostatní faktory se musí zahrnout [1]. • NadmoĜská výška – nízký tlak ve vysoké nadmoĜské výšce mĤže zpĤsobit ztrátu tlaku • Koroze – koroze mĤže ovlivnit mechanické vlastnosti produktu. Testuje se pod solnou mlhou. Další vlivy jsou prach, vlhkost atd.

5.4.5 Kombinované prostĜedí V normálních provozních podmínkách se zatČžující faktory vyskytují témČĜ vždy jako kombinovanČ. PĜi testech se þasto používá kombinace kmitání a teploty. Zdroj kmitání je umístČn v tepelné komoĜe [1].

Brno, 2010

26


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

5.5 Druhy testĤ 5.5.1 Testy do pĜežití Tento test nám dává informace o vlastnostech vzorku bez jeho poškození. Vzorek je po testu plnČ funkþní. Testuje se takto elektromagnetismus, hluk atd. [1].

5.5.2 Testy do zniþení K poškození vzorkĤ dochází pĜi zatížení vysokým poþtem cyklĤ nebo velkou silou. Dnes se používá moderní metoda Highly-Accelerated Life Testing (HALT). Cílem tohoto testu je prasknutí vzorku. BČhem testu pĤsobí na vzorek více zatČžujících faktorĤ souþasnČ. Po prasknutí se identifikuje nejslabší místo produktu. Poté se produkt upgraduje a testuje znova pod vČtším zatížením. HALT musí být vykonáno bČhem vývoje produktu [1].

5.5.3 Step-load testy Vzorek je zatČžován na nČjaké úrovni po danou dobu. Pokud vzorek pĜežije daný þas, tak se zvyšuje napČtí a pĤsobí opČt po daný þas. Test konþí, pokud dojde k poškození vzorku, anebo vydrží pĜedurþený þas. ZatČžovací faktory se mohou kombinovat a pĜi zvyšování se mohou zvýšit oba nebo jen jeden a další zĤstane na stejné hodnotČ [1].

5.5.4 Degradaþní testy Test je založený na modelování snižování výkonu. Jsou dvČ metody. V první je þas do poruchy pĜedpovČzen z modelu poklesu výkonu v þase. Druhá je statická metoda využívající souvislá data z výkonových parametrĤ, které degradují. Test konþí, pokud model pĜedpovídá, že nebude dosaženo požadované spolehlivosti nebo pĜedpovídá úspČšné dokonþení testu. Tyto testy se používají k urþení iniciace a šíĜení trhliny, tažné a ohybové pevnosti a další [1].

5.6 Matematické modely Testování komponent na rĤzné poškození vyžaduje jiné výpoþtové vztahy a rozdČlení, které nejlépe odpovídají daným požadavkĤm [1].

5.6.1 Lineární akcelerace NČkteré transformaþní funkce mohou být použité jen pro dané akceleraþní modely, ale lineární funkce mĤže být použita témČĜ pro všechny. ýas do poruchy pĜi normálním provozním stavu je [1]: t0 = İtİ İ… t…

(5.1)

akceleraþní faktor þas do poruchy pĜi vzrĤstajícím zatížení

Brno, 2010

27


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

5.6.2 ArrheniĤv model V roce 1889 objevil Švédský chemik Svante Arrhenius matematický model pro vliv teploty na chemické reakce. Protože jsou chemické reakce zodpovČdné za mnoho poruch, byla Arrheniova rovnice upravena pro akceleraci spolehlivostních testĤ [1] −

K = Ae

B T

(5.2)

K … rychlost reakce A,B … specifikované konstanty T … teplota [K] þastČji je rovnice psána v tomto tvaru −

K = K 0e

E (BT)

(5.3)

K0 … rychlost reakce pĜi známé teplotČ E … aktivaþní energie reakce B … Boltzmannova konstanta

5.6.3 EyringĤv model ArrheniĤv model je možné použít pouze pro jeden typ zatížení, teplotu. Henry Eyring popsal model založený na rychlosti chemické reakce a kvantové mechanice, který je používán, když na komponent pĤsobí více typĤ zatížení najednou [1]. α

b T

t = aT e e

d [ c + ( )] S1 T

(5.4)

t … poþet cyklĤ do poruchy T … absolutní teplota S1 … úroveĖ druhého zátČžového faktoru Į,a,b,c,d … konstanty 5.6.4 Model pro šíĜení trhliny Coffin-MasonĤv model je používán pro pĜípady rĤstu trhliny nebo materiálové únavy. Poþet cyklĤ do poruchy je uþen rozlišením [1]:

(5.5)

t ... poþet cyklĤ F … frekvence cyklĤ T … teplota bČhem cyklu a, b, c … konstanty k urþení

Brno, 2010

28


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

4.6.5 Model pro elektroniku (zmČna napČtí) Pro testy elektroniky existují následující výpoþetní modely. Tento empirický vztah byl odvozen pro akcelerování poruchy zmČnou velikosti napČtí [1]:

(5.6)

t ……. þas pĜi normálním zatížení tİ …... þas pĜi akcelerovaném zatížení U ….. normální elektrické napČtí (voltáž) U İ …..hodnota akcelerovaného napČtí (voltáže) Inverzní model pro zatížení napČtím je zjednodušený EyringĤv model, který se používá pro urþování životnosti kondenzátorĤ [1]:

(5.7)

t … poþet cyklĤ U … hodnota el. napČtí a,b … konstanty k urþení Upravená forma Eyringova modelu je používána pro akcelerování poruch pomocí elektromigraþní metody v polovodiþích. Pohyb iontĤ je akcelerován pomocí teploty a hustoty proudu [1]:

(5.8)

t … poþet cyklĤ J … hustota proudu T … absolutní teplota a,b,c … konstanty k urþení

Brno, 2010

29


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

6. VytvoĜení 3D modelu Pro vytvoĜení 3D modelu jsem použil program Pro/Engineer Wildfire 4.0. Od firmy TRW DAS a.s. jsem dostal výkresovou dokumentaci potĜebnou k vytvoĜení modelu kloubu a pĜípravku, ve kterém je kloub uchycen bČhem testu. Všechny komponenty jsem vytvoĜil jako samostatný part. K jejich vytvoĜení jsem použil funkce Extrude, Revolve, Pattern, Round, Edge Chamfer a Variable Section Sweep. Z vytvoĜených komponent jsem sestavil sestavu (assembly). Sestava obsahuje kulový þep (obr. 6.1), horní misku (obr. 6.2), dolní misku (obr. 6.3), hlavu kloubu - housing (obr. 6.4), víþko (obr. 6.5) a pĜípravek (obr. 6.6).

Obr. 6.1 Kulový þep

Obr. 6.2 Víþko

Obr. 6.3 Horní miska

Brno, 2010

30


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 6.4 Dolní miska

Obr. 6.5 Hlava kloubu (housing)

Obr. 6.6 PĜípravek pro uchycení kloubu pĜi testu

Brno, 2010

31


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 6.7 Sestava uložení kloubu

6.1 PĜevedení 3D modelu do MKP Pro MKP výpoþet jsem použil program Ansys 12.0. PĜed pĜevedením 3D modelu z Pro/Engineeru na výpoþetní matematický model bylo nutné upravit nČkteré detaily modelu. PĜíliš detailní model zvyšuje složitost výpoþtové sítČ (poþet elementĤ) a následných výpoþtĤ a zvyšuje nároky na výpoþetní techniku. Provedená zjednodušení a úpravy: • •

• • • •

•

Brno, 2010

zanedbání zkosení hran na vložkách pro lepší kontakt ploch a tím lepší vedení tepla jsem musel vytvoĜit na miskách pĜesah s koulí þepu (zmenšení vnitĜních prĤmČrĤ),(obr. 6.10) drážku pro uložení víþka v hlavČ kloubu jsem odmazal a vytvoĜil až v Ansysu zanedbání nČkterých zaoblení na hlavČ kloubu vliv šroubĤ v pĜípravku na odvod tepla je minimální a proto jsem zde volil plný materiál mezi horní miskou a víþkem je vzduchová mezera. Do této mezery jsem vložil válcový prvek, který jsem dále upravil až v Ansysu (obr. 6.8) z obou þástí pĜípravku (tČleso a zavádČcí þep) jsem vytvoĜil jeden prvek

32


•

•

DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

teplo je z kloubu odvádČno i pĜes zkušební tyþ (IBJ) k propojení se zkušebním válcem. Proto jsem vytvoĜil þást této tyþe jako souþást hlavy kloubu. Zde jsem zanedbal závit a poþítal s tyþí jako souþástí hlavy Celá sestava je symetrická a proto jsem ji rozdČlil na pĤl. RozdČlení jsem provedl odeþtením kvádru (obr. 6.9)

Takto upravený model jsem pomocí funkce AnsysGeom pĜevedl na MKP model.

Obr. 6.8 Vložený válcový objem pro vyplnČní vzduchové mezery (þervenČ)

Brno, 2010

33


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 6.9 Naznaþení odeþteného objemu (rozpĤlení modelu)

Obr. 6.10 Detail voženého modelu (rozmazané plochy jsou zpĤsobeny pĜesahy

Brno, 2010

34


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

7. VytvoĜení výpoþtového MKP modelu 7.1 Upravení modelu pro výpoþtovou síĢ Model pĜevedený z Pro/Engineeru jsem musel dále upravit v Ansysu. Pomocí Boolovské operace Subtract v PreprocessingÆ ModelingÆOperate jsem odeþetl pĜesahy objemĤ, aby byl všude pĜesný kontakt ploch. Z vloženého válce pomocí této funkce zbyl pouze objem vyplĖující vzduchovou mezeru (obr. 7.1). PĜípravek a kužel jsem rozdČlil Boolovskou funkcí Divide Æ Volu by WrkPlane na menší objemy kvĤli jednoduššímu síĢování. Abych mohl použít Heat Generator on Volumes musel jsem vytvoĜit objem (obr. 7.2). Tento objem je vytvoĜen z koule kuželu odeþtením duté koule (Hollow Sphere) a oĜezáním podle kontaktních ploch koule kuželu s horní a dolní miskou. Gumová manžeta, kterou jsem v Pro / Engineeru zanedbal, má pĜi výpoþtu vliv na odvod tepla. Proto jsem ji nahradil objemem (obr 7.3). Tím jsem si pĜipravil model pro vytvoĜení sítČ (obr. 7.4)

Obr. 7.1 Objem nahrazující

Obr. 7.2 Objem pro Heat Generator

Brno, 2010

vzduchovou mezeru

Obr. 7.3 Objem nahrazující manžetu

35


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 7.4 Model pĜipravený na vytvoĜení výpoþtové sítČ

7.2 VytvoĜení výpoþtové sítČ 7.2.1 Zvolení prvkĤ sítČ Protože jsem Ĝešil teplotní úlohu, musel jsem zvolit vhodné prvky pro vytvoĜení sítČ. Zvolil jsem element Solid87, který je vhodný pro teplotní úlohy v ustáleném stavu (steady- state) ve 3D a má 10 uzlĤ. Druhý zvolený element byl Solid 90, který je vyšší verzí Solid 87, protože má 20 uzlĤ, tak je vhodný pro síĢování funkcí Sweep.

Obr. 7.5 Prvek SOLID 87

Brno, 2010

Obr. 7.6 Prvek SOLID 90

36


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

7.2.2 Materiálové modely V Preprocessing Æ Material Props Æ Material Models jsem zvolil materiál Thermal Æ Conductivity Æ Isothropic a vytvoĜil 5 materiálových modelĤ pro dané materiály. •

model 1 – ocel (12 040) – tepelná vodivost (KXX) = 49 W.m-1.K-1 [8]

•

model 2 – polyacetan POM - tepelná vodivost = 0,25 W.m-1.K-1 [8]

•

model 3 – prostĜedí mez vložkou a víþkem – tepelná vodivost = 0,002 W.m-1.K-1

•

model 4 – polyuretan TPU – tepelná vodivost 1,7 W.m-1.K-1 [8]

•

model 5 – Objem nahrazující manžetu s mazivem – tepelná vodivost= 0,2 W.m-1.K-1

Obr. 7.7 Ukázka okna pro výbČr typu materiálu

7.2.3 Meshing modelu Model jsem rozdČlil na menší objemy, aby šlo použít síĢování pomocí funkce Sweep v Mesh Tool. Takto jsem vytvoĜil síĢ na þásti pĜípravku a kuželu. Ostatní þásti nešli vysíĢovat pomocí funkce Sweep, a proto jsem použil síĢování pomocí funkce Free. Nejde o velkou úlohu, která by byla nároþná na výpoþet, a proto volné síĢování nevadí. Na pĜípravku jsem zvolil elementy o velikost 5mm a na kulovém kloubu 2 a 3 mm. Celý model jsem poté pomocí Boolovské funkce Scale zmenšil 1:1000. Model jsem zmenšil proto, abych mohl hodnoty koeficientĤ a dalších veliþin zadávat v základních jednotkách.

Brno, 2010

37


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 7.8 Výpoþtová síĢ

Obr. 7.9 Detail výpoþtové sítČ

Brno, 2010

38


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Výsledný MKP model obsahuje: Kepoints Lines Areas Volumes Nodes Elements

387 660 294 24 63812 28908

Tab. 7.1 Poþet jednotlivých prvkĤ a elementĤ

7.3 Definování okrajových podmínek 7.3.1 PĜíprava modelu pro jednodušší odladČní Abych mohl model co nejjednodušeji odladit podle následných mČĜení, upravil jsem si model pro použití maker na definování okrajových podmínek. PĜed napsáním maker jsem si pomocí Selection vybral všechny vnČjší plochy, na kterých je odvod tepla konvekcí do vzduchu. Z vybraných ploch z kuželu, hlavy, pĜípravku a víþka jsem vytvoĜil v Component Manager v záložce Selection jednotlivé skupiny ploch.

Obr. 7.10 Plochy hlavy, na kterých je odvod tepla konvekcí

Obr. 7.11 Ukázka Component Manager a vybraných skupin ploch Brno, 2010

39


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Pomocí Component Manager a funkce Plot Æ Areas jsem si vyselektoval požadované plochy dané souþásti a v Solution Æ Define Loads Æ Apply Æ Thermal Æ Convection Æ On Areas jsem na nČ definoval tepelnou konvekci. Na obr. 7.12 je okno pro nastavení parametrĤ konvekce. Jako koeficient pĜestupu tepla (VALI) jsem zadal hodnotu oznaþenou parametrem ALFA1 a jako okolní teplotu (VAL2I) TEPLOTA. Poté jsem si otevĜel, v záložce List Æ File, soubor Log File, ve kterém jsem si zkopíroval poslední pĜíkazy. Tyto pĜíkazy jsem vložil do Poznámkového bloku. Dopsal jsem pĜíkazy /SOLU a Finish a uložil jsem soubor jako *.mac. Tento postup pro vytvoĜení makra jsem opakoval pro všechny þásti sestavy. U tyþe IBJ jsem na plochu, kde tyþ pokraþuje, definoval koeficient pĜestupu tepla ALFA2 a teplotu okolí TEPLOTA2. TEPLOTA2 odpovídá teplotČ, která je dále v tyþi a proto se musí upravit podle hodnot vypoþítaných teplot. PodobnČ i u plochy na pĜípravku, která je pĜipevnČna na ocelové konzole. Zde jsem použil stejný koeficient pĜestupu tepla (ALFA2), ale teplotu okolí jsem definoval, jako TEPLOTA4. Poté jsem napsal makro pro definování konvekce na všechny plochy. Do tohoto makra jsem napsal názvy všech dílþích maker a doplnil o pĜíkaz ALLSEL,ALL a VPLOT, aby po probČhnutí nastavení koeficientĤ pĜestupu tepla a teplot se opČt zobrazil celý model. Další makro jsem stejným zpĤsobem napsal pro definování Heat Generator. V Define Loads jsem vybral Heat Generat on Volumes a zde jsem definoval hodnotu jako parametr HGEN. Dalším krokem bylo vytvoĜení skupiny (assembly) Channels v Component Manageru, ve které jsou uzly (nodes) odpovídající umístČní termoþlánkĤ na kloubu. Díky tomuto se v General Post Procesing Æ List Results Æ Nodal Solution vypíší pouze vybrané uzly a teploty v nich. Ty jsou porovnány s namČĜenými teplotami. Pro vybrání tČchto uzlĤ jsem napsal makro „uzly“.

Obr. 7.12 Okno pro nastavení tepelné konvekce

Brno, 2010

40


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Channel Node CH0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6

254786 236403 199960 233997 260974 216310 232136

OndĜej KĜíž

ýíslo ve vypsaném listu 6 5 1 4 7 2 3

Tab. 7.1 Seznam uzlĤ odpovídajících termoþlánkĤm

Obr. 7.13 Plochy, na kterých je pĜestup tepla konvekcí

Brno, 2010

41


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 7.14 Makro pro nastavení konvekce na hlavČ kloubu

7.3.2 Výpoþet koeficientu pĜestupu tepla Výpoþet jsem provedl v programu Mathcad 14 Zadané hodnoty: Charakteristická délka Tepelná vodivost tekutiny Koeficient teplotní objemové vodivosti MČrná tepelná kapacita Kinematická viskozita Rozdíl teplot

Brno, 2010

# $ % $ !"

% $ & '( !

)* !!+ ,- $ % $

1 2 . / !0

3 4%

42


OndĜej KĜíž

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Vypoþtené hodnoty: Grashofovo kritérium 56

7 89

& 3

:;

(7.1)

56 '<!= Prandltovo kritérium 16 )*

>

(7.2)

?

16 '<!= 56 16 44'<!=

@

A !

z tabulky volím

Nusseltovo kritérium BC @ D56 16EF

(7.3)

BC G'

Koeficient pĜestupu tepla H

IJ ?

H /4G

Brno, 2010

(7.4)

8

K

L; M

43


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

8. Upravení modelu podle provedeného mČĜení a MKP výpoþet 8.1 Provedení únavové zkoušky a mČĜení Pro nastavení okrajových podmínek na modelu kloubu v Ansysu bylo nutné provést skuteþný test kloubu a namČĜit teploty na kloubu a zjistit dodané teplo do kloubu. Ve firmČ TRW DAS, a.s. jsem se domluvil, aby mi pĜichystali vzorek kloubu a pĜipravili zkušební pracovištČ na provedení testu (obr 8.1).

Obr. 8.1 Zkušební zaĜízení pĜipravené na provedení únavové zkoušky

Na zaznamenání mČĜení byl použit pĜevodník NI cDAQ-9172 od firmy National Instruments (obr. 8.2), na který bylo pĜipojeno 8 termoþlánkĤ typu K (rozsah teplot -200 – 1250 °C), kterými jsme m ČĜili teplotu na 8 rĤzných místech kloubu. Termoþlánky jsme pĜilepili elektropáskou. Tím se odizolovaly vĤþi vlivu okolní teploty a mČĜení bylo pĜesnČjší. Pro zaznamenání výchylky hlavy kloubu jsme použili snímaþ polohy. Jeho uložení je vidČt na obr. 8.3. UmístČní termoþlánkĤ je zobrazeno na obr. 8.4. AD pĜevodník byl pĜes USB kabel propojen s programem DIAdem 10.2. Zde byl vytvoĜen model zapojení a nastaveny hodnoty, které se zaznamenávali do tabulky vzorkovací frekvencí 25 Hz.

Brno, 2010

44


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 8.2 AD pĜevodník

Obr. 8.3 Uložení snímaþe polohy

Brno, 2010

45


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 8.4 UmístČní termoþlánkĤ

Vstupní parametry provedeného testu byly: síla F=18kN a frekvence 5Hz. BČhem mČĜení byly zaznamenávány teploty ze všech termoþlánkĤ a zároveĖ délková výchylka kloubu. NamČĜených hodnot bylo 108974 ĜádkĤ (þas, 8 teplot a výchylka) a dostal jsem je ve formátu XLS, abych je mohl dále zpracovat v MS EXCEL. Po spuštČní testu zaþala okamžitČ stoupat teplota. Z hodnot v Excelu jsem sestrojil grafy prĤbČhu teplot (obr. 8.5) a výchylky (obr. 8.6). Propadnutí prĤbČhu teploty v termoþlánku CH3 byl zpĤsoben odlepením termoþlánku. Z grafu prĤbČhu výchylky je patrné, že už po 47,9 min došlo ke zmČnČ výchylky a poškození misky. Nejvyšší teplota byla po celou dobu na termoþlánku CH0 umístČném na víþku kloubu. V grafu prĤbČhu teplot je vidČt, že pĜibližnČ do teploty 91,3°C (na ví þku) byl nárĤst teplot pozvolný. Poté došlo pravdČpodobnČ k úplnému vytavení misky a k prudkému nárĤstu teploty. V tuto chvíli jsme ukonþili test. Termoþlánek CH7 mČl mČĜit zmČnu teploty okolí, ale umístČní bylo špatnČ zvoleno a namČĜené hodnoty se nedaly použít. Teplota okolí byla 26°C.

Brno, 2010

46


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 8.5 Graf prĤbČhu teplot

Obr. 8.6 PrĤbČh výchylky

8.2 Další dvČ únavové zkoušky a mČĜení Protože se teploty bČhem mČĜení neustálily a došlo ke zmČnČ mechanických vlastností vložky, tak toto mČĜení nebylo vhodné pro nastavení okrajových podmínek. Proto jsme provedli další mČĜení na novém kloubu. Jako první jsme zvolili konfiguraci s F=7kN a f=5Hz. PĜi tomto mČĜení byl nárĤst teplot velmi malý (obr. 8.7), a proto jsme zvýšili sílu na F=10kN a frekvenci nechali stejnou. Toto nastavení jsme nechali, dokud se teploty neustálili (obr. 8.8). Poté jsme zvedli sílu na F=13kN a opČt nechali do ustálení teplot (obr. 8.9). Nakonec jsme zvolili konfiguraci F=10kN a f=5Hz. I pĜi tomto mČĜení byl patrný nárĤst teplot (obr. 8.10) UmístČní termoþlánkĤ bylo zvoleno stejnČ jako pĜi prvním mČĜení. Vzorkovací frekvence byla také stejná jako v prvním pĜípadČ fvz=25Hz. Všechny hodnoty byly zaznamenány do Excelu.

Brno, 2010

47


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 8.7 PrĤbČh teplot pro s F=7kN a f=5Hz



Brno, 2010

48


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž


8.3 Výpoþet výkonu dodaného do kloubu Z namČĜených hodnot jsem si vytvoĜil soubory s prĤbČhem þasu a výchylky (cas.dat, vychylka.dat). Tyto soubory jsem naþetl v Mathcadu 14 pomocí funkce READPRN. PrĤbČh síly byl dopoþítán. PrĤbČh síly byl dopoþítán pomocí rovnice

NO P 2QA D R NS O E

(8.1)

Pro výpoþet okamžité práce byl odvozen vzorec TDQE

UVWX UV "

DNO Y NOZ$ E

(8.2)

Celková práce ve zvoleném intervalu O"$

T DQ QE [O\O$ TDQE

(8.3)

Okamžitý výkon

1DQE

Brno, 2010

]DOE

^VWX ^V

(8.4)

49


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Výkon v jednotlivých periodách -

doba trvání jedné periody poþet vzorkĤ na 1 periodu doba trvání mČĜení

T=0,2s NT=5 Tm (pro každé mČĜení jiná)

Poþet mČĜených period

A_ `aa6

_b _

(8.5)

Práce v každé periodČ T_Oc T dQ_ B_ DQ_ Y E B_ e

(8.6)

Požadovaný výkon v jednotlivých periodách 1_Oc

]cVc

(8.7)

_

Byl vybrán úseku mČĜení s ustáleným prĤbČhem výkonu z grafu (bez odskokĤ). PrĤmČrný výkon ve zvoleném úseku

1fg*

V

hVc; jV c;

cXWX

icVc

(8.8)

Oc; OcX Z$

Výsledný výkon je: - F=7kN, f=5Hz : - F=10kN, f=5Hz : - F=13kN, f=5Hz : - F=10kN, f=10Hz:

P = 1,763 W P = 4,037 W P = 7,268 W P = 8,623 W

Výpoþet objemu pro vložení Heat Generator: Velikost objemu (obr. 7.2) byla poþítána dle vztahu

k

Brno, 2010

l:X 0

dD' m$ " Y ' m" " Y n$ " E o D' m " Y ' m= " Y n$ " Ee

(8.9)

50


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Celkový objem se rovná polovinČ souþtu horní a dolní kulové þásti objemu VHG=6,025x10-7 m3 Velikost Heat Generator

p5

iqrs

(8.10)

" tuv

Vypoþítaný výkon je vydČlený 2, protože je použita polovina modelu. Hodnota Heat Generator použitá v MKP výpoþtu - F=7kN, f=5Hz : - F=10kN, f=5Hz : - F=13kN, f=5Hz : - F=10kN, f=10Hz:

HG1 = 1,46x106 W.m-3 HG2 = 3,35x106 W.m-3 HG3 = 6,02x106 W.m-3 HG4 = 7,16x106 W.m-3

8.3 MKP výpoþet 8.3.1 Výpoþet prĤbČhu teplot pĜi vypoþítaném výkonu Pro nastavení okrajových podmínek jsem zvolil hodnotu HG3 (F=13kN a f=5Hz). Tento Heat Generator jsem vložil do pĜipraveného modelu v Ansysu. Zde jsem pomocí maker v menu Parameters (obr. 8.11) nastavil pĜedpokládané okrajové podmínky modelu. Poté byl proveden výpoþet.

Obr. 8.11 Tabulka pro definování okrajových podmínek

Brno, 2010

51


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Pro porovnání teplot z výpoþtu s teplotami z mČĜení jsem si vytvoĜil v Component Manager sestavu Channels, ve které jsou vyselektovány uzly odpovídající umístČní termoþlánkĤ.

Node

Channel

199960 216310 232136 233997 236403 254786 260974

CH2 CH5 CH6 CH3 CH1 CH0 CH4

Tab. 8.1 Tabulka uzlĤ odpovídajících termoþlánkĤm

8.3.2 Výsledky výpoþtĤ pro odladČní modelu Pro hodnotou HG3 jsem provedl nČkolik variant nastavení okrajových podmínek a výpoþtĤ. Výsledné teploty jsem vždy porovnal s teplotami ve vybraných uzlech, abych se co nejvíce pĜiblížil namČĜeným hodnotám. Výsledky, které nejvíce odpovídají mČĜení, jsou na obr. 8.12 a v tab. 8.2.

Obr. 8.12 PrĤbČh vypoþítaných teplot (HG3) Brno, 2010

52


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Channel

Node


199960 216310 232136 233997 236403 254786 260974

OndĜej KĜíž

Teplota výpoþet namČĜená 26,028 26,172 27,534 29,739 36,532 36,011 39,452 38,697 30,758 30,520 38,963 38,353 29,908 30,004

Tab. 8.2 Tabulka namČĜených a vypoþítaných hodnot teploty (HG3)

8.3.3 OvČĜení nastavení modelu Pro ovČĜení modelu jsem provedl výpoþet pro všechny další hodnoty HG. První výpoþet byl pro HG2 (F=10kN,f=5Hz). Tyto výsledky jsou zobrazeny na obr. 8.13 a v tab. 8.3.

Obr. 8.13 PrĤbČh vypoþítaných teplot (HG2)

Brno, 2010

53


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Channel

Node


199960 216310 232136 233997 236403 254786 260974

OndĜej KĜíž



Další výpoþet pro ovČĜení byl proveden pro HG4 (F=10kN, f=5Hz). Výsledky jsou na obr. 8.14 a v tab. 8.4.


Brno, 2010

54


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Channel

Node


199960 216310 232136 233997 236403 254786 260974

OndĜej KĜíž



Poslední výpoþet pro ovČĜení byl s hodnotou HG1. Výsledky jsou na obr. 8.15 a v tab. 8.5.


Brno, 2010

55


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Channel

Node


199960 216310 232136 233997 236403 254786 260974

OndĜej KĜíž



8.3.4 Hodnoty parametrĤ ovČĜených výpoþtem Z provedených výpoþtĤ a porovnání s mČĜením jsem zvolil následující parametry: Koeficienty pĜestupu tepla: - alfa1 = 8.5 W.m-2.K-1 – na vČtšinČ ploch, kde je pĜestup tepla konvekcí - alfa2 = 2700 W.m-2.K-1 – na plochách, kde je kontakt ocel-ocel - alfa3 = 10 W.m-2.K-1 – na hlavČ kloubu Teploty okolí: - teplota = 26°C – okolní teplota kloubu - teplota2 = 29°C – teplota v ty þi OBJ, tato teplota se musí pĜizpĤsobit ostatním teplotám (ve výpoþtu pro ovČĜení s HG2 byla teplota 26°C) - teplota4 = 25°C – teplota okolo p Ĝípravku

Brno, 2010

56


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

8.3.5 Doporuþená maximální hodnota výkonu pĜivedeného do kloubu Sestrojil jsem graf závislosti maximální teploty v plastové vložce na velikosti Heat Generator (dále HG) pomocí výpoþtĤ v Ansysu (obr. 8.16). Graf je sestrojen z hodnot ze 40 výpoþtĤ. PrĤbČh je lineární a proto jsem pomocí lineární interpolace dle rovnice 8.11 dopoþítal hodnoty pro maximální teplotu 90°C. Tuto teplotu jsem zvolil podle materiálových listĤ [8], kde je uvedena jako doporuþená pro dlouhodobé použití. Pro pĜesné urþení limitní teploty by bylo potĜeba mít podklady ze zkoušky mechanických vlastností vložky v závislosti na teplotČ a velikosti zatížení.

Obr. 8.16 Graf závislosti maximální teploty na velikosti HG

p5_

wxVWX wxV

_VWX _V

D_ o O E Y p5O

(8.11)

Heat Genarator pro maximální teplotu ve vložce 90°C : HG90= 1,676x107 W.m-3 Této hodnotČ HG90 odpovídá výkon P = 20,294 W.

Brno, 2010

57


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Obr. 8.17. PĜedpokládaný prĤbČh teplot pĜi maximální teplotČ ve vložce 90°C

Brno, 2010

58


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

10. ZávČr V první þásti diplomové práce jsem se zabýval testováním kulových kloubĤ. Nejprve jsem provedl dostupnou rešerši druhĤ kloubĤ, jejich testování a akceleraþních testĤ obecnČ. Hlavním cílem práce bylo urþit parametry únavové zkoušky pro firmu TRWDAS,a.s. tak, aby nedocházelo k pĜeakcelerování. Model vytvoĜený v Pro/Engineeru Wildfire 4.0 jsem pĜevedl do Ansysu 12, kde jsem provedl nČkterá zjednodušení modelu kvĤli snížení poþtu elementĤ a z toho plynoucí rychlosti výpoþtĤ. V Ansysu byly provedeny i veškeré kontrolní výpoþty. Vstupní hodnoty (Heat Generator – výkon pĜivedený do kloubu) jsem vypoþítal v Mathcadu 14 z hodnot získaných z mČĜení bČhem této únavové zkoušky. MČĜení bČhem testu s konfigurací (F=18kN, f=5Hz) a následné vykreslení prĤbČhu teploty a výchylky potvrdily, že test je pĜeakcelerovaný, ale zároveĖ se ukázal jako nevhodný pro nastavení okrajových podmínek na kloubu, protože bČhem testu nedošlo k ustálení teplot. Proto byla provedena další mČĜení, pĜi kterých se mČĜily 4 rĤzné konfigurace testu. Všechna mČĜení probíhala do ustálení teplot na kloubu. Z prĤbČhu výchylky z prvního mČĜení (obr. 8.6) je patrné, že ke zmČnČ výchylky, a tím ke zmČnČ mechanických vlastností plastové vložky, došlo už pĜi teplotČ 77°C na ví þku. PrĤbČh nárĤstu teplot v prvním mČĜení, ale neodpovídal dalším mČĜením. V prvním pĜípadČ byla nejvČtší teplota na víþku. V dalších mČĜeních na hlavČ kloubu (housing). Toto mohlo být zpĤsobeno vytlaþením maziva, vlivem velké síly, do prostoru pod víþkem. Proto je obtížné na vytvoĜeném modelu urþit teplotu ve vložce, pĜi které došlo ke zmČnČ mechanických vlastností. Pro ovČĜení správnosti výpoþtu HG3 a nastavení okrajových podmínek byly provedeny výpoþty s HG4, HG2 a HG1. V tab. 8.2 až 8.5 jsou zobrazeny

namČĜené a vypoþítané teploty v místech, kde byly umístČné termoþlánky. NejvČtší odchylka teplot byla na CH5. Tento rozdíl byl zpĤsoben nepĜesným umístČním uzlu. Termoþlánek byl vložen zespodu do þepu pĜípravku, protože zde nebyl dostatek prostoru pro manipulaci, bylo velice obtížné urþit jeho pĜesné umístČní.

Použité materiály TPU a POM mají v materiálových listech doporuþenou maximální teplotu pro dlouhodobé použití 90°C. Prot o jsem dopoþítal hodnotu HG90, pĜi které je dosaženo této teploty a zní hodnotu maximálního výkonu, který by mČl být pĜiveden do kloubu bČhem testu. PĜesnost výsledkĤ mĤže být ovlivnČna vlivem velikosti zatížení na teplotu tání použitých plastĤ a plastickou deformací vložky (jevy obdobné tzv. Creepu). PĜi urþování uvolĖovaného výkonu v kloubu byla zjištČna vysoká citlivost výsledné hodnoty výkonu na vzájemné synchronizaci simulované síly a mČĜené výchylky. Na základČ zpracování tohoto proto vyplynulo doporuþení pro zvýšení pĜesnosti urþení velikosti výkonu pĜemČĖovaného v kloubu na teplo, a to nechat narĤst teploty do ustáleného stavu a snímat hodnoty výchylek v kratším þasovém úseku ovšem s podstatnČ vyšší vzorkovací frekvencí (1kHz a vyšší), pro další provádČná mČĜení.

Pro zjištČní, jestli je konfigurace testu vhodná nebo dojde k pĜeakcelerování, je potĜeba získat hodnoty ze zkoušky tuhosti. Pro zvolenou sílu se zjistí hodnota radiální tuhosti (výchylka v závislosti na síle).

Brno, 2010

59


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Je však ještČ potĜeba ovČĜit, zda tato závislost urþovaná staticky odpovídá závislosti mČĜené dynamicky u provedených zkoušek. Pro zvolenou frekvenci síly je pak možné nasimulovat prĤbČh síly a výchylky a z nich vypoþítat hodnotu dodaného výkonu do kloubu. Tento výkon by nemČl pĜesáhnout hodnotu Pdop.

Brno, 2010

60


DIPLOMOVÁ PRÁCE

OndĜej KĜíž

Použité zdroje [1]

DODSON, B., SCHWAB, H.: Accelerated Testing, SAE International 2006 ISBN-10: 0-7680-0690-2

[2]

VLK, F.: Podvozky motorových vozidel. 3. aktualizované vydání. Brno 2006. ISBN 802396464X

[3]

NOVÁK, J. Návrh uložení hydraulického válce zkušebního zaĜízení kulovýchkloubĤ. Brno 2009. 66 s. VUT v BrnČ, FSI,

[4]

Suspension joint AK-LH 14, Working comittee specification book, TRW 2004

[5]

TRW Automotive 2010 [cit. 2010-04-15]. Dostupné z:

[6]

DURISEK, N., GRANAT K., HOLMES E.: Analysis of Front Suspension Ball Joint Separations in Motor Vehicle Crashes, SAE paper 2009-01-0101, SAE International 2009

[7]

BORDON,E., ZUCCHINI,M., SIMIAO,G., CICHONSKI,B.: High Performance Ball Joint, SAE paper 2003-01-3668, SAE International 2003

[8]

MARTIENSSEN, W.; WARLIMONT, H.. Springer Handbook of Condensed Matter and Materials Data [online]. 2005. [s.l.] : [s.n.], 2005 [cit. 2010-04-20]. Dostupné z WWW: . ISBN 978-3-54030437-1.

Brno, 2010

61


OndĜej KĜíž

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Seznam použitých jednotek a veliþin Znaþka

Veliþina

Jednotka

r Ȝ ȕ

polomČr tepelná vodivost koeficient teplotní objemové roztažnosti

mm W.m-1.K-2 K-1

cp Ș Ȟ

mČrná tepelná kapacita dynamická viskozita kinematická viskozita

J.kg-1.K-1 Pa.s m2.s-1

ǻt Gr Pr Nu Į

rozdíl teplot Grashofovo kritérium Prandltovo kritérium Nusseltovo kritérium Koeficient pĜestupu tepla

K W.m2.K-1

t fvz

þas vzorkovací frekvence

s Hz

x FM fi fF

výchylka zatČžující síla okamžitá síla frekvence zatČžující síly

mm kN kN Hz

A P

práce výkon

J W

Pvyp HG ȡ Ȟ V İ

výkon pĜivedený do kloubu Heat Generator délka výška objem akceleraþní faktor

W W.m3 mm mm m3 -

E J

aktivaþní energie reakce hustota proudu

J A.mm2

U VHG

elektrické napČtí Objem Heat Generatoru

V m3

Brno, 2010

62

MEZNÍ OHŘEV KULOVÉHO KLOUBU PŘI AKCELEROVANÉM TESTU

Recommend Documents