Miskolci Egyetem
GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
SZEMÉLYGÉPJÁRMŐ INDÍTÓMOTOROK FEJLESZTÉSE Ph.D. értekezés KÉSZÍTETTE: Nagy Lajos okleveles gépészmérnök SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPEK ÉS SZERKEZETEK TERVEZÉSE TÉMATERÜLET MECHATRONIKAI RENDSZEREK TERVEZÉSE TÉMACSOPORT DOKTORI ISKOLA VEZETİ Dr. habil Tisza Miklós egyetemi tanár TÉMATERÜLET VEZETİ Dr. habil Döbröczöni Ádám egyetemi tanár TÉMACSOPORT VEZETİ Dr. habil Patkó Gyula egyetemi tanár TÉMAVEZETİ Dr. Jakab Endre c. egyetemi tanár TÁRS TÉMAVEZETİ Dr. Szabó Tamás egyetemi docens Miskolc, 2014
Nagy Lajos
SZEMÉLYGÉPJÁRMŐ INDÍTÓMOTOROK FEJLESZTÉSE
Doktori (Ph.D.) értekezés
Miskolc, 2014
2
Nyilatkozat Alulírott Nagy Lajos kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelmően a forrás megadásával megjelöltem. A dolgozat bírálatai és a védésrıl készült jegyzıkönyv a késıbbiekben a Miskolci Egyetem Dékáni Hivatalában lesz elérhetı.
……………………………………..
3
Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK .................................................................................................................... 4 TÉMAVEZETİK AJÁNLÁSA ........................................................................................................... 5 ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK ......................................................................................................... 6 ÁBRAJEGYZÉK............................................................................................................................. 9 TÁBLÁZATJEGYZÉK ................................................................................................................... 11 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS ........................................................................................................... 12 1. BEVEZETÉS ............................................................................................................................ 13 1.1 Irodalmi áttekintés, tudományos elızmények.............................................................................................. 14 2. TERVEZÉSELMÉLETEK ÉS MÓDSZEREIK ................................................................................. 20 2.1 Klasszikus tervezéselmélet ........................................................................................................................... 20 2.2 Napjainkban alkalmazott terméktervezési eljárások ................................................................................... 22 2.3 Hazai tervezıi iskolák ................................................................................................................................... 25 2.4 Célkitőzés....................................................................................................................................................... 26 3. MÓDSZERES GÉPTERVEZÉS ALKALMAZÁSA ELVI MEGOLDÁSOKRA ....................................... 27 3.1 A tervezési feladat megfogalmazása ............................................................................................................ 29 3.2 Funkcióstruktúra felállítása........................................................................................................................... 30 3.3 Megoldási elvek keresése, a megfelelı változatok kiválasztása................................................................. 33 4. A KAPCSOLÓMECHANIZMUS MODELLEZÉSE ÉS SZIMULÁCIÓJA .............................................. 43 4.1 Szerkezeti elemzés......................................................................................................................................... 43 4.2 Elektrodinamikai modell............................................................................................................................... 45 4.3 Induktivitás meghatározása méréssel ........................................................................................................... 52 4.3.1. Elméleti megfontolások ............................................................................................................... 52 4.3.2. A mérés végrehajtása, mérési eredmények, kiértékelés............................................................... 53
4.4 Mérési és szimulációs eredmények .............................................................................................................. 58 5. ÚJ KAPCSOLÓMECHANIZMUS ................................................................................................. 61 5.1 Szerkezeti felépítés........................................................................................................................................ 69 5.2 Elektrodinamikai modell............................................................................................................................... 72 5.3 További lehetséges megoldások a vezérpálya görbe átviteli függvényére................................................. 75 5.4 Motor kiválasztása az új mechanizmushoz .................................................................................................. 82 5.5 Kiértékelés ..................................................................................................................................................... 84 6. ÖSSZEFOGLALÁS ................................................................................................................... 88 6.1 Új tudományos eredmények összefoglalása ................................................................................................ 88 6.2 Továbbfejlesztési lehetıségek ...................................................................................................................... 89 SUMMARY ................................................................................................................................. 90 NEW SCIENTIFIC RESULTS .......................................................................................................... 92 FELHASZNÁLT IRODALOM ......................................................................................................... 93 SZABADALMI HIVATKOZÁSOK ................................................................................................... 99 PUBLIKÁCIÓK AZ ÉRTEKEZÉS TÉMÁJÁBAN .............................................................................. 102 MELLÉKLETEK ........................................................................................................................ 107
4
Témavezetık ajánlása Nagy Lajos „Személygépjármő indító motorok fejlesztése” címő Ph.D. értekezéshez Napjainkban a korszerő személygépjármőveket start-stop rendszerrel látják el. Ezen új rendszerekben az indítómotoroknak magasabb minıségi követelményeket kell kielégíteniük, amelyeket a Robert Bosch Energy and Body Systems Kft. már 2005-ben megfogalmazott az újonnan alapított Mechatronikai Tanszék felé. A tanszéki kutatásokba Nagy Lajos 2005-ben kapcsolódott be, és elsı eredményeit a diplomamunkájában fogalmazta meg. Végzés után levelezı Ph.D. hallgatóként folytatta a kutatásokat, amelynek fı célkitőzése innovatív tartalmú, új indítómotor kifejlesztése volt. Széleskörő szakirodalmi kutatásokat végzett, amelynek egyik súlyponti része a kapcsolódó szabadalmak áttekintése volt. Ezután a módszeres géptervezés elveinek felhasználásával a korábbi megoldásokat rendszerezte, értékelte. Foglalkozott a széles körben jelenleg alkalmazott gépjármő indítómotor kapcsolómechanizmusának modellezésével, szimulációjával és mérésével. Megalkotta a szerkezet nemlineáris elektrodinamikai modelljét. A differenciál egyenletek numerikus megoldására Matlab környezetben programot készített. Az általa kidolgozott és megalkotott mérırendszerrel méréseket végezve meghatározta a behúzó tekercs induktivitását. A szimulációval kapott induktivitás függvényeket mérésekkel hitelesítette. A hagyományos kapcsolómechanizmus vizsgálatainak eredményeit figyelembe véve, a módszeres géptervezés elveinek alkalmazásával új megoldásokat dolgozott ki. Ennek során újdonságokat is tartalmazó, vezérpályás kapcsoló mechanizmus került kidolgozásra, amelynek vizsgálatára kísérleti berendezést épített. Az új szerkezetnek szintén megalkotta az elektrodinamikai modelljét, továbbá vizsgálta a mozgásfeladathoz legkedvezıbb vezérpálya kialakítást is. Az új tudományos eredményeket nemzetközi folyóiratokban publikálta, amelyek jelentıségét hivatkozások is megerısítik. A szerzıtársakkal közösen elért mőszaki újdonságokat a DE 1020110064352 A1, 2012.07.05. sz. szabadalom tartalmazza. Az értekezés kivitele gondos munkát tükröz, szövegezése jól érthetı, ábrái mondanivalójának megértését nagyban elısegítik, tézisei a PhD cím elnyeréséhez szükséges kívánalmakat messzemenıen kielégítik. Miskolc, 2014. 10. 31.
Dr. Jakab Endre
Dr. Szabó Tamás
Témavezetı, c. egyetemi tanár
Társ témavezetı, egyetemi docens, intézetigazgató
5
Alkalmazott jelölések Latin betős jelölések a b Ca CM Cv F f gi h2 i j J k kö L L l Ld Ls m M n P Pk q Q R s1 SF SFA SFB1 SFB11 SFB12 SFB2 SFB21 SFB22 SFC SFD SFE SFE11 SFE12 ST STA STB STC
- Gyorsulás - Sebességgel arányos csillapítás - Gyorsulásjellemzı - Nyomatékjellemzı - Sebességjellemzı - Erı - Átviteli függvény - Súlyozási tényezı - A hajtó-fogaskerék maximális elmozdulás - Áttétel - Ütés (a gyorsulás deriváltja) - Tehetetlenségi nyomaték - Rugómerevség - Összhajtóviszony - Önindukciós együttható - Lagrange függvény - Elmozdulási szakasz - Differenciális induktancia - Szekáns induktancia - Tömeg - Nyomaték - Fordulatszám - Teljesítmény - Általánosított erı - Általános koordináta - Villamos töltés - Ohmos ellenállás - A kapcsolódó tag elmozdulás - Részfunkció - „Tápegységrıl vezérel” részfunkció - „Kapcsolatot létrehoz” részfunkció - „Közvetlenül energiát átad” részfunkció - „Nyomatékot közvetít” részfunkció - „Kapcsolatot mőködtet” részfunkció - „Axiális mozgást biztosít” részfunkció - „Radiális mozgást biztosít” részfunkció - „Forgó mozgást létrehoz” részfunkció - „Nyomatékot változtat” részfunkció - „Blokkol” részfunkció - „Funkciót vált” részfunkció - Nyomatékot határol részfunkció - Részfeladat - „Energiaforrást igénybe vesz” részfeladat - „Berendezést a fıtengellyel összekapcsol” részfeladat - „Fıtengelyt hajt” részfeladat
[m/s2] [Ns/m]
[N]
[mm] [m/s3] [kgm2] [N/m] [mH] [mH] [mm] [mH] [mH] [kg] [Nm] [1/min] [W] [N] [C] [Ω] [mm]
6
STD STE T* TS TSM u U0 v Vpot We Wgj wij Wm* wmax x
- „Nyomatékot változtat” részfeladat - „Fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel” részfeladat - Kiegészítı kinetikus energia - Elméleti megoldásmezı - Módosított elméleti megoldásmezı - Villamos feszültség - Akkumulátor cellafeszültség - Sebesség - Potenciális energia - Elektromos energia - Összérték - Értékelési osztályzat - Kiegészítı mágneses energia - Maximális értékelési osztályzat - Általános elmozdulás koordináta
[J] [db] [db] [V] [V] [m/s] [J] [J]
[J] [m]
Görög betős jelölések β ε γ ϕ Θ
- Hajtó-fogaskerék fogferdeségi szög - Szöggyorsulás - Mechanizmus szögelfordulás - Hajtó-fogaskerék szögelfordulás - Motor szögelfordulása
[°] [rad/s2] [°] [°] [°]
7
Rövidítések AC AD ADT BPS CAD CAM CAx DC
Alternating Current Axiomatic Design Autogenetic Design Theory Bosch Production System Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Computer Aided x Direct Current
Váltakozó áram Axiómatikus tervezés Autogenetikus tervezéselmélet Bosch gyártási rendszer Számítógéppel segített tervezés Számítógéppel segített gyártás Számítógéppel segített x terület Egyenáram Valamilyen szempont (X) szerinti DfX Design for X tervezés FMEA Failure Mode and Effect Analysis Hibamód és hatáselemzés D-FMEA Design-FMEA Tervezési FMEA P-FMEA Product-FMEA Termék FMEA DPD Dynamic Product Developemet Dinamikus termékfejlesztés Nyugalmi-Elıremozgó-Nyugalmi DRD Dwell-Rise-Dwell szakasz Nyugalmi-Elıremozgó-VisszamozgóDRRD Dwell-Rise-Return-Dwell Nyugalmi szakasz E/C Energy/Current Energia/áram FEM Finite Element Method Végeselem módszer, FE analízis GA Genetic Alghoritm Genetikus algoritmus GDT General Design Theory Általános tervezéselmélet HEDDAT High Efficiency Digital Displacement Hidraulikus Hibrid Hajtás Automotive Transmission IEM Incremental Energy Method Növekményes energia módszer IPD Integrated Product Development Integrált termékfejlesztés ISAD Integrated Starter Alternator Damper Integrált Starter/Generátor PEM Pinion-engaging mechanism Kapcsolómechanizmus PM Permanent Magnet Állandó mágnes QFD Quality Function Deployement Minıségi funckiók lebontása UVA Use Value Analysis Használati értékanalízis VDI Verein Deutscher Ingenieure Német Mérnökök Egyesülete A felsorolásban nem szereplı jelöléseket, rövidítéseket a szövegben értelmezzük.
8
Ábrajegyzék 1.1. ábra: Mechanikus mőködtetéső indítómotor [S7] .................................................................. 15 1.2. ábra: Elektromágneses mőködtetéső indítómotor [S56] ........................................................ 16 1.3. ábra: Korszerő belsı áttételes indítómotor [S8]. .................................................................... 16 1.4. ábra: Kobei Ebihara szerkezeti megoldása [S10]................................................................... 17 1.5. ábra: Szekáns és differenciális induktivitás értelmezése........................................................ 19 2.1. ábra: VDI 2206 irányelve ....................................................................................................... 23 2.2. ábra: Axiomatikus tervezés folyamata ................................................................................... 24 3.1. ábra: Az általános folyamatterv struktúrája (VDI 2222/1) [119] ........................................... 28 3.2. ábra: FRANKE-féle keresımátrix [46] ..................................................................................... 28 3.3. ábra: Funkcióstruktúra részei.................................................................................................. 30 3.4. ábra: A funkcionális tervezés szakaszában alkalmazott módszerek ...................................... 30 3.5. ábra: Összeférhetıségi mátrix................................................................................................. 35 3.6. ábra: Az összeférhetıségi mátrix kombinációs változatai ..................................................... 36 3.7. ábra: Hidraulikus indító berendezés [S33] ............................................................................. 37 3.8. ábra: Pneumatikus indító berendezés [S67]............................................................................ 37 3.9. ábra: Értékelési feltételek........................................................................................................ 40 3.10. ábra: Egy új megoldásváltozat (C7) és egy ismert megoldás (B1) értékprofilja ................. 42 3.11. ábra: A C7 és B1 megoldás elvi vázlata ............................................................................... 42 4.1. ábra: Indítómotor kapcsolómechanizmusa [71] ..................................................................... 44 4.2. ábra: A hagyományos kapcsolómechanizmus (PEM) funkcióvázlata ................................... 44 4.3. ábra: Az elektromágnes szerkezete [71] ................................................................................. 44 4.4. ábra: Az indítómotor áramköri rajza [71]............................................................................... 44 4.5. ábra: A kapcsolómechanizmus elektromechanikai modellje ................................................. 46 4.6. ábra: Kiegészítı mágneses energia értelmezése lineáris (a.) és nemlineáris esetben (b.) ..... 47 4.7. ábra: A mért és a számított rugóerı karakterisztika ............................................................... 48 4.8. ábra: A hajtó-fogaskerékhez kapcsolódó rugó karakterisztikája............................................ 49 4.9. ábra: A mérés villamos áramköri rajza................................................................................... 54 4.10. ábra: A mérés összeállítás fényképe ..................................................................................... 55 4.11. ábra: A mért elektromágneses erı függvénye ...................................................................... 55 4.12. ábra: A közelítı parciális derivált indukciófüggvény .......................................................... 57 4.13. ábra: Integrálással kapott indukciófüggvény........................................................................ 57 4.14. ábra: A kapcsolómechanizmus áram-idı lefutása ................................................................ 59 4.15. ábra: A vasmag elmozdulás-idı függvénye ......................................................................... 59 4.16. ábra: A hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvénye........................................................... 60 5.1. ábra: Az új kapcsolómechanizmus kialakításának folyamatterve és lépései ......................... 62 5.2. ábra: Mozgásátalakítók alaptípusai......................................................................................... 62 5.3. ábra: Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlata................................................................. 63 5.4. ábra: DRD és DRRD mozgásfüggvény .................................................................................. 64 5.5. ábra: A leggyakrabban alkalmazott átviteli függvények és deriváltjaik ................................ 65 5.6. ábra: Nyitott és zárt pályagörbék............................................................................................ 66 5.7. ábra: A legyártott mechanizmus normált átviteli függvényei ................................................ 67 5.8. ábra: A szerkesztett bütyökhenger kiterített metszete............................................................ 68 5.9. ábra: A legyártott bütyökhenger 3D-s képe............................................................................ 68 5.10. ábra: A kísérleti berendezés szerkezeti rajza........................................................................ 70 5.11. ábra: Az új kísérleti berendezés fényképe ............................................................................ 71 5.12. ábra: Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modellje .................................................... 72
9
5.13. ábra: Az alkalmazott szervomotor M(dθ/dt) karakterisztikája............................................. 73 5.14. ábra: Az (5.21) egyenletrendszer szimulációs eredményei .................................................. 74 5.15. ábra: A régi és az új kapcsolómechanizmus hajtófogaskerekének elmozdulás-idı függvénye....................................................................................................................................... 75 5.16. ábra: Trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvény ......................................................... 75 5.17. ábra: A1=0,5 és A2=0,5 arányú, normált átviteli függvények .............................................. 81 5.18. ábra: A1=1 és A2=1 arányú, normált átviteli függvények .................................................... 81 5.19. ábra: A1=2 és A2=2 arányú, normált átviteli függvények .................................................... 82 5.20. ábra: Vezérpálya sebesség profilok ...................................................................................... 82 5.21. ábra: Minimális teljesítmény szükséglet............................................................................... 84 5.22. ábra: Tárcsa forgórésző motorral hajtott kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata ........ 84 5.23. ábra: Mechanikus hajtással kombinált kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata............ 85
10
Táblázatjegyzék 1.1 táblázat: A gyújtási fordulatszám értékei ................................................................................ 15 2.1 táblázat: Klasszikus német tervezıi iskolák ............................................................................ 20 2.2. táblázat: Fontosabb tervezéselméletek ................................................................................... 22 3.1. táblázat: Tervezési követelményjegyzék ................................................................................ 29 3.2. táblázat: Energiaforrások összehasonlító táblázata ................................................................ 31 3.3. táblázat: Forgó mozgás létrehozására alkalmas motorok tervezıi katalógusa ...................... 32 3.4. táblázat: Hajtások összehasonlító táblázata............................................................................ 33 3.5. táblázat: A funkcióstruktúra morfológiai mátrixa .................................................................. 34 3.6. táblázat: A funkcióstruktúra módosított morfológiai mátrixa................................................ 35 3.7. táblázat: Szabadalmaztatott hidraulikus és pneumatikus indító berendezések funkcióstruktúra kódjai .................................................................................................................. 36 3.8. táblázat: Akkumulátorok típusai............................................................................................. 38 3.9. táblázat: A kiválasztott elvi megoldás részfunkciói ............................................................... 38 3.10. táblázat: Értékelési kritériumok............................................................................................ 39 3.11. táblázat: Megoldásváltozatok kiértékelése ........................................................................... 41 4.1. táblázat: Alkalmazott mérıeszközök...................................................................................... 54 4.2. táblázat: Szimuláció bemeneti paraméterei ............................................................................ 58 4.3. táblázat: Átlagos hiba értékei.................................................................................................. 60 5.1. táblázat: Axiális kapcsolatot biztosít részfunkció követelményjegyzéke............................ 63 5.2. táblázat: Lehetséges mozgás változatok ................................................................................. 66 5.3. táblázat: A kísérleti berendezés elemei .................................................................................. 71 5.4. táblázat: A mechanizmus paraméterei .................................................................................... 74 5.5. táblázat: Ca, Cv, CM jellemzık értékei különbözı A1, A2 értékeknél...................................... 80 5.6. táblázat: Megoldásváltozatok értékelési szempontjai ............................................................ 85
11
Köszönetnyilvánítás Az értekezés a Miskolci Egyetem Robert Bosch Mechatronikai Tanszékén 2006-ban kezdett kutatómunkám eredményeit foglalja össze. A kutatási témát a Robert Bosch Energy and Body Systems Kft. szolgáltatta. Ezúton szeretnék köszönetet mondani DR. JAKAB ENDRE és DR. SZABÓ TAMÁS témavezetıknek az értekezés elkészítésében nyújtott segítségéért és jobbító szándékú kritikai észrevételeikért. Köszönet illeti a SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET valamennyi kollégáját, munkatársát, akik az értekezés elkészítése során szakmai és erkölcsi segítséget nyújtottak. Külön megemlíteném LÉNÁRT JÓZSEF és ANTAL DÁNIEL tanársegéd valamint DR. HEGEDŐS GYÖRGY egyetemi docens kollégáimat a mérések elektronikai tervezésében, illetve a mechanizmus megtervezésének kezdeti szakaszában nyújtott önzetlen segítségükért. Szeretném megköszönni DR. KOVÁCS ERNİ egyetemi docens értékes szakmai tanácsait. Köszönöm továbbá a MISKOLCI EGYETEM SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA vezetıinek és tanárainak, hogy lehetıséget biztosítottak az értekezés elkészítéséhez, benyújtásához. Szeretném megköszönni a ROBERT BOSCH ENERGY AND BODY SYSTEMS KFT. mérnökeinek közremőködését. Külön köszönöm SASVÁRY GÁBOR türelmét és segítségét a helyszíni mérések összeállításáért. Köszönöm továbbá DR. KOVÁCS ZOLTÁN tőzvédelmi mérnök szakmai és erkölcsi támogatását, útmutatásait. Végül, de nem utolsósorban köszönöm családomnak és barátaimnak, akikre mindig számíthattam. A kutató munka a TÁMOP-4.2.1B-10/2/KONV-2010-0001 jelő projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
12
1. BEVEZETÉS Napjainkban a nemzetközi piaci verseny, a gyorsuló mőszaki technológiai fejlıdés és a növekvı vásárlói követelmények hatására a vállalatok számára döntı tényezıvé vált az új versenyképes termékek fejlesztése. A piacok elnyerésére rendkívüli szellemi és anyagi erıforrásokat koncentrálnak, új módszereket és technikákat alkalmaznak a termékfejlesztésekben, amelyeknek ciklusideje nagymértékben csökkent. A globális gazdasági verseny fenntarthatósága érdekében az Európai Unió lisszaboni tanácskozásán (2000. március) azt a célt fogalmazták meg, hogy az Európai Uniót „a világ legdinamikusabb és legversenyképesebb tudásalapú gazdaságává” tegyék (Európa 2020). Ennek érdekében célozták meg többek között a belsı piac kiteljesítését, valamint a kutatásfejlesztésbe és az oktatásba való befektetések jelentıs növelését, ugyanis az innovatív vállalkozások és az egyetemek közötti együttmőködés intenzitása meghatározza egy-egy ország és régió versenyképességének alakulását [2], és jól szolgálja a vállalatok érdekeit is. A leírtaknak kiváló példáját szolgáltatta a BOSCH cégcsoport, amikor a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karán 2005-ben megalapította a Robert Bosch Mechatronikai Tanszéket, amely a II. világháború óta az elsı, vállalatok által finanszírozott tanszék volt Magyarországon. A példa azóta számos követıre talált. Az új tanszék egyik alapvetı feladata volt a Mechatronikai mérnökképzés létrehozása. Ez a „Mechatronikai mérnöki alapszak (BSc)” és a „Mechatronikai mérnök mesterszak (MSc)” sikeres akkreditációjában és elindításában valósult meg. Másik fontos feladat volt a régióbeli BOSCH gyárak részére kutatási-fejlesztési feladatok (K+F) végzése. A mechatronikai területen való kutatás-fejlesztés sajátosságainak és követelményeinek egy része már irányelvekben is rögzítésre került. Ezek közül néhány a teljesség igénye nélkül: a különbözı tervezési módszerek (VDI 2206, DPD) és fejlesztési eszközök (QFD, FMEA, stb.), a virtuális tervezés, modellezési, szimulációs eszközök alkalmazása; a párhuzamos tervezés (Concurrent Engineering); az információs és elektronikai technológia eszközeinek széleskörő használata; az innováció folyamatának gyorsítása, az intelligencia növelése, rendszerszemlélető gondolkodás. A miskolci Robert Bosch Energy and Body Systems Kft. által megfogalmazott feladatok a személygépjármő indítómotorok fejlesztéséhez kapcsolódtak, ami a dolgozat megírását is indukálta. A cél egy új, a technika mai állásának megfelelı személygépjármő indítómotor fejlesztése és kivitelezése volt. A kitőzött feladatot értelmezve definiálhatók az „új” és a „technika állása” fogalmak. A magyar szabadalmi hivatal e fogalmakat a következıképpen határozza meg. „Új”: a szakember számára nem nyilvánvaló, iparilag alkalmazható gondolat, amely egy adott mőszaki probléma gyakorlati megoldását jelenti. „A technika állása” fogalomhoz tartoznak mindazok a megoldások, amelyek a szabadalmi bejelentés napját megelızıen bárki számára hozzáférhetık. Új feladatoknál olyan innovatív megoldás kidolgozása a cél, amelynek tudományos módszertani kutatások képezik az alapját.
13
1.1 Irodalmi áttekintés, tudományos elızmények Az értekezésben felhasznált irodalmi anyagok feldolgozása az alábbiak szerint történt: • • • •
Indítómotorok mőködésének vizsgálata, szerkezeti elemzések szabadalmi bejelentések és szakirodalmak alapján. Módszeres géptervezés eszközeinek tanulmányozása, különös tekintettel a megoldási elvek keresésére és kezelésére, a feladat megoldásában való alkalmazáshoz. amely részletesen a 2. fejezet tárgyalja. Elektromechanikus aktuátorok modellezésével, szimulációjával kapcsolatos mővek felhasználása a technika elsajátításához. A bütykös mechanizmusok, ezen belül a követıgörgıs vezérpályás mechanizmusok alkalmazási lehetıségeinek vizsgálata és ehhez a geometriai, gyártási és dinamikai vizsgálatokkal foglalkozó szakirodalmak és publikációk megismerése.
Az egyes gépjármő villamossági szakirodalmak [21], [29], [112] részletesen bemutatják és elemzik az úgynevezett csúszó fogaskerekes, csúszó armatúrás indítómotorok szerkezeteit és mőködésüket. A csúszó fogaskerekes kétfokozatú és a csúszó armatúrás változatokat nehézgépjármővekben alkalmazzák, ezért ezeket a típusokat az értekezés nem tárgyalja. A magyar, amerikai, német és az európai szabadalmi hivatalokban több száz szabadalmi oltalom található a csúszó fogaskerekes indítómotorok témakörben. Tudományos alapokon nyugvó új indítómotor konstrukció fejlesztésérıl publikáció, esettanulmány nem ismert. Számos hazai [11], [12], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [37], [101] és nemzetközi publikáció [25], [32], [58], [79], tanulmány [125] jelent meg indítómotorok, illetve azok valamely komponensének mérésével, modellezésével és szimulációjával kapcsolatban. A belsıégéső motorok a XIX. század végén jelentek meg, amelyeket jármővek hajtására alkalmaztak. Ezek a jármővek még petróleummal mőködtek és külsı, mechanikus energiaforrással indultak (kézi indítókar használatával, betolással, lejtın való felgyorsulással,). A kézi indítás majd egy évszázadig, de egyre csökkenı mértékben az 1980as évekig megtalálható volt a jármőveknél. A villamos energiaellátó berendezések használatával egyre inkább elıtérbe kerültek az elektromos indítóegységek, amelyeket indítómotornak neveznek. Napjaink személygépjármőveinek belsıégéső motorjait indítómotorok segítségével hozzák mőködésbe. Az újabb Start-Stop (pl. Smart Idle Stop System, i-stop) és az úgynevezett mild (pl. power assist, ISAD) hibrid rendszerő gépjármővekben is megtalálhatók az indítómotorok. Az indítómotor feladata az, hogy a belsıégéső motor fıtengelyét álló állapotából az nc gyújtási fordulatszámra gyorsítsa fel. A belsıégéső motor mőködése akkor válik önfenntartóvá, ha fıtengelyének fordulatszáma nagyobb, mint a gyújtási fordulatszám [29]. Az nc fordulatszám tapasztalati értékeit az 1.1 táblázat tartalmazza. Indításkor a belsıégéső motor és kapcsolt részeinek (pl. forgattyúkarok, dugattyúk) tehetetlenségét, a súrlódási és sőrítési ellenállását kell leküzdeni, amely nagy indítónyomatékot igényel a fıtengelyen illetve az indítómotornál. Az indítómotortól a forgattyús tengelyig vezetı kinematikai láncokon a nyomatékátvitelt és erısítést általában fogaskerék-hajtás valósítja meg. Az indítási nyomaték meghatározása igen összetett feladat, mivel függ a motor típusától, a hengerek számától, a mozgó alkatrészek súrlódásától, a sőrítési aránytól, a kenıanyag minıségétıl, illetve a motor és a környezet hımérsékletétıl. Továbbá függ minden olyan berendezéstıl, amely a motor fıtengelyével kényszerkapcsolatban áll (pl. ventilátor, hőtıvíz- és olajszivattyú, generátor, stb.) [125].
14
Belsıégéső motor típusa
Gyújtási fordulatszám nc (1/min)
benzinmotor
60÷100
bolygódugattyús motor
120÷180
dízelmotor
60÷200 1.1 táblázat: A gyújtási fordulatszám értékei
A befolyásoló tényezık közül a legfontosabb a hengerek össztérfogata és a kenıanyag viszkozitása. A hengerek össztérfogatának mértékével közel lineárisan változik a nyomatékigény. A tanulmányozott indítómotor szabadalmakat külön jegyzék tartalmazza, ahol a sorszám elıtti „S” bető a szabadalomra utal. Terjedelmi okok miatt itt csak azok a szabadalmak kerülnek bemutatásra, amelyek egy-egy kor fı fejlıdési, fejlesztési irányát reprezentálják. Az elsı indítómotorok szabadalmi kérvényének egyikét 1913-ban John Roscoe Millward nyújtotta be [S38]. Forradalmi változást hozott a Robert Bosch Aktiengesellschaft cég szabadalmi megoldása [S7], ahol a fogaskerekek összekapcsolása és oldása mechanikus mőködtetéső. A szerkezet lemezes tengelykapcsolót is tartalmaz, amely nyomatékhatárolóként mőködik és megvédi az indítómotort a gyorsító visszahajtástól. A szerkezet mőködését az 1.1. ábra egyszerősített kinematikai vázlata mutatja.
1.1. ábra: Mechanikus mőködtetéső indítómotor [S7]
15
1.2. ábra: Elektromágneses mőködtetéső indítómotor [S56] Paul L. Schneider és Louis J. Raver közös találmánya [S56] már a napjainkban használatos indítómotorokhoz hasonlít (1.2. ábra). Technikai újdonság a mágneskapcsoló (92), amely az egyenáramú motor (10) forgórészét indítja és egyidejőleg azt a kétkarú emelıt (78) is mozgásba hozza, amely a hajtó-fogaskereket (54) axiálisan elıremozdítja és a forgattyútengelyen ülı fogaskerékhez (56) kapcsolja. Ennél a megoldásnál görgıs szabadonfutó (22) gátolja meg az indítómotor forgórészének gyorsító visszahajtását. Az utóbbi 20-25 évben a tervezı- és fejlesztımérnökök egyre kisebb, és még korszerőbb konstrukciókat dolgoztak ki. A fejlesztéseket a biztonságos mőködés, nagyszámú kapcsolás, kis helyszükséglet és súly követelmények határozták meg. A jelentıs méret- és súlycsökkenés mellett a nagyobb indítónyomaték elérésére közvetett hajtású megoldásokat dolgoztak ki, amelyeknél a motor forgórésze és a hajtó-fogaskerék közé hajtómővet (pl. kb típusú bolygómővet, külsı-külsı, vagy külsı-belsı egylépcsıs fogaskerékhajtást) építettek be. Az 1.3. ábra láthatószerkezetben egy „kb” típusú bolygómő található. A napkerék (40) az egyenáramú motor (28) armatúra tengelyén (26) helyezkedik el, a bolygókerekek (58) a hajtott tengelyre épülı, tárcsába rögzített csapokra (56) illeszkednek. A győrőkerék (16) pedig az armatúra ház (12) és a pajzscsapágy (18) között illesztı szegekkel (az ábrán nem jelölt) elfordulás ellen rögzített.
1.3. ábra: Korszerő belsı áttételes indítómotor [S8].
16
Az 1.4. ábra látható szerkezetnél a kapcsolómechanizmus az indítómotorral egy tengelyen helyezkedik el és az 1.2. ábra szerkezetéhez hasonlóan biztosítja a fogaskerék kapcsolódását, és a motor fıáramkörének zárását. A hajtó-fogaskerék axiális elmozdulását elektromágneses kapcsoló (144) biztosítja. Az elektromágnes elválasztja a forgórészt a hajtó-fogaskeréktıl. A fogaskerék-kapcsolatot a szabadonfutó és a kitolótárcsa (131) közé beépített tekercsrugó (134) szünteti meg, és ezzel egyidejőleg az áramkör bontása is megtörténik
1.4. ábra: Kobei Ebihara szerkezeti megoldása [S10]. Az irodalom-, és szabadalomkutatás alapján az indítómotorok hajtó-fogaskerekének mozgatását valamennyi konstrukciónál egyenáramú elektromágnessel mőködtetett kapcsolómechanizmus biztosítja. Az elektromágnes feladata a szükséges erı kifejtése a hajtófogaskerék elıre, kapcsoló pozícióba való mozgatásánál [S2], [S4], [S5], [S6], [S11], [S16], [S30], [S35], [S39], [S40], [S41], [S44], [S45], [S51], [S60], [S61]. Az elektromágnes két koncentrikusan egymásba helyezett tekercsbıl és egy mozgatható vasmagból épül fel. Az elektromágnes vasmagja a gerjesztés hatására elmozdul és behúzott (zárt) állapotban marad, amellyel közvetlenül vagy közvetve a hajtó-fogaskereket mőködteti, a vasmag az áramkör bontásával rugóerı hatására alaphelyzetbe visszaáll. Ezek az elektromágnesek párhuzamos (mellékáramú) kapcsolásúak, ezért közvetlenül a személygépjármő energiaforrására (akkumulátorára) kapcsolhatók. A kapcsolómechanizmus kinematikai és dinamika viszonyainak megismeréséhez, elengedhetetlen annak modellezése és szimulációja. Az elektromechanikus rendszerek mechanikai és villamos elemeinek kölcsönhatása meghatározza a rendszer üzemi viszonyait. A jelenségeket egy csatolt differenciálegyenlet-rendszer írja le, amely mechanikai és villamos egyenletekbıl áll. Az egyik legfontosabb villamos paraméter elektromágneses aktuátorok, ill. villamos gépek mőködésének leírására az induktivitás. Ha egy tekercsben folyó áram erıssége változik, akkor az áram által gerjesztett fluxus is változik. A fluxus változása feszültséget hoz létre, amelyet indukált feszültségnek nevezünk [60], [81], [113]. Az indukált feszültség az induktivitással kifejezhetı: u=
d ( Li ) , dt
(1.1)
ahol i az áramerısség. Az induktivitás mérésére és elméleti számítására többféle módszer ismert. Tisztán elektromos mérési eljárásokat mutatnak be [93], [94], [103] mővek. Ezeket a méréseket impedancia méréseknek is nevezik, és általában légmagos tekercsek induktivitásának meghatározását szolgálják.
17
Vasmag nélküli (légmagos) tekercs induktivitása elegendı pontossággal méréssel, vagy számítással egyaránt meghatározható. A tekercs geometriájából, a menetszámból és a levegı permeabilitásából az L önindukciós együttható számítható. A [103] irodalom három fı csoportra bontja az induktivitás méréseket: • • •
„három áram-feszültség” módszer, váltakozó áramú hídmérı eljárások (Maxwell-Wien híd, Hay híd, Carey-Foster híd, AC híd Wagner ággal, stb), rezonancia módszer.
Valamennyi módszer váltakozó áramú (AC) gerjesztésen alapul. A gyakorlatban többnyire a váltakozó áramú hídmérı eljárásokat alkalmazzák. Viszonylag kevés módszer létezik egyenáramú (DC) gerjesztésen alapuló induktivitás meghatározására. Egy 3 fázisú, állandó mágnes (PM) gerjesztéső motor induktivitásának mérésére fázisonként DC gerjesztést alkalmaznak diszkrét pozíciókban a [44], [68] publikációkban. Indukciós motor induktivitásának mérése DC gerjesztéső a [95] irodalomban. Valamennyi mérést kis áramerısségeknél végezték. Különösen nehéz egy tekercs induktivitásának meghatározása mozgatható vasmag esetén. A vasmag általában nemlineáris mágneses tulajdonságú, azaz a mágneses térre és a mágneses indukcióra vonatkozó anyagegyenlet nemlineáris, továbbá telítıdés és hiszterézis is felléphet. Az ilyen típusú tekercseknél a hiszterézis és telítıdés elhanyagolásával, az induktivitás az áramerısség és a vasmag pozíciójának függvénye:
L = L ( i, x ) .
(1.2)
A [16], [27], [28], [36], [44], [45], [47], [48], [68], [102] publikációkban lineáris és forgó mozgású aktuátorok induktivitását numerikusan, többek között végeselem (FE) módszerrel határozzák meg. A villamos egyenleteket a Kirchoff-, ill. Faraday törvényekbıl származtatják. A [20], [26], [27], [44], [45], [48], [40] mővekben elektromágneses aktuátorok modellezésére energiabázisú leírást alkalmaznak, amelyet a kiegészítı mágneses energiával fogalmaznak meg. A energia-bázisú leírás egyik elınye, hogy ekkor a mechanikai és villamos paraméterek, mint például erı, nyomaték, illetve induktivitás, indukált feszültség egyaránt meghatározhatók. A másik elınye, hogy alkalmas FE modellezésre (pl. ANSYS, FLUX, MAXWELL, stb). Az FE analízis alapjául a növekményes energia módszert (IEM), alkalmazzák az ún. energia/áram (E/C) perturbációval például a [20], [27], [44], [45], [68], [96] publikációkban. Kis áramerısségeknél a nemlineáris feladatok az IEM módszerrel visszavezethetık lineárisra [44], [68]. A [42], [48] mővekben a kiegészítı mágneses energia felírásánál a nemlineáris mágneses anyagegyenletet veszik figyelembe. Nemlineáris induktivitásnál a [20], [27], [44], [45], [47], [60], [68], [75], [81], [96] publikációkban értelmezik az Ls szekáns (statikus, látszólagos) és az Ld differenciális (dinamikus, inkrementális) induktivitás fogalmát, amelyek magyarázatára az 1.5. ábra szolgál. A szekáns induktancia a tekercsfluxus és az áramerısség hányadosa: Ls (i, x) =
Ψ* . i*
(1.3)
A differenciális induktancia a 1.5. ábra szerint értelmezhetı:
18
Ld (i, x)=
Ψ Ld =
Ψ
∂Ψ (i, x) , ∂i
∂Ψ ( i ) ∂i
Ls =
(1.4)
Ψ* i*
*
i =i
Ψ (i )
*
i*
i
1.5. ábra: Szekáns és differenciális induktivitás értelmezése A jelenlegi indítómotorok kapcsolómechanizmusának kinematikai lánca egy haladó-haladó (H-H) mozgás-átalakítónak tekinthetı. A módszertani vizsgálatok alapján belátható, hogy a kapcsolási feladat megoldható forgó-haladó (F-H) mozgás-átalakítóval. Az F-H mozgásátalakítók elınye, hogy forgó mozgással magas mozgásparaméterek biztosíthatók. Az F-H mozgásátalakítást megvalósíthatja pl. egy vezérpályás (bütykös) mechanizmus is. A bütykös mechanizmusok elméleti és gyakorlati vizsgálatainak eredményei számos szakirodalomban (könyv, publikáció, értekezés) fellelhetık. Ezek elsısorban a mozgástörvények megválasztásával, kinematikai és dinamikai tulajdonságaival foglalkoznak. Az elmúlt évtizedekben a mechanizmusok átviteli függvényének optimalizálására fektették a hangsúlyt [131], [132]. A bütykös mechanizmusok sokoldalú, speciális kialakítású alkatrészek, amelyek állandó és közvetlen kapcsolatban vannak az ún. kapcsolódó taggal. Ezen mechanizmusok tervezése és alkalmazása a digitális számítógépek és a korszerő CAD/CAM rendszerek megjelenésének köszönhetıen folyamatosan fejlıdik. Osztályozásuk többféle szempont, pl. a kapcsolódó tag alakja (lapos, félgömbfejő, görgıs, stb.), a kapcsolódó tag mozgása (forgó, transzlációs), a bütyöktest típusa (radiális pl. külsı, ill. belsı felülető vezértárcsa, axiális pl. hornyos, bordás bütyökhenger), stb. szerint lehetséges. Az értekezésben a mechanizmusok kinematikai és dinamikai vizsgálatára a [23], [74], [89], [121], [123], [124] mővek szolgálnak alapul. Ezek a mővek rendszerezik és részletesen tárgyalják a bütykös mechanizmusok mozgásfüggvényeit, szerkezeti kialakításukat, geometriai, kinematikai és dinamikai viszonyait. Az értekezésben vizsgált mechanizmus mozgásfüggvényére polinom függvényt célszerő alkalmazni. Megvizsgáljuk továbbá a trigonometrikus függvények alkalmazhatóságát is.
19
2. TERVEZÉSELMÉLETEK ÉS MÓDSZEREIK Az értekezés a célkitőzésben megfogalmazott feladatot a klasszikus tervezéselmélet eljárásával és annak alkalmazott módszereivel kívánja megoldani, figyelembe véve az új tervezéselméleteket. Ez a fejezet összefoglaló áttekintést ad a mőszaki tudományos életben alkalmazott tervezéselméletekrıl és módszertani eszközökrıl a kezdetektıl napjainkig. Az irodalmi áttekintést elsısorban VAJNA [115], HORVÁTH [52], [54], TOMIYAMA [111], SUH [97], [100] szerzık mőveiben foglaltak szolgáltatták. A dolgozatban bemutatásra kerülnek ezen elméletek és az alkalmazott módszerek jellemzıi, illetve az iparban és az oktatásban történı alkalmazhatósága. Külön fejezetben tárgyalja a magyarországi tervezıi mőhelyeket és azok eredményeit. Itt szükséges megjegyezni, hogy az értekezés a tervezéselmélet fogalma alatt egy adott mőszaki feladat (késıbbiekben termék) tervezési, fejlesztési folyamatát, eljárását érti. A módszertani eszközök alatt a tervezési, fejlesztési folyamat egyes fázisaiban, szakaszaiban alkalmazott módszereket jelenti.
2.1 Klasszikus tervezéselmélet Az ipar részérıl felmerülı egyre növekvı igények hatására alakult ki a módszeres (gép)tervezés tudománya. A módszeres géptervezés tervszerően kivitelezett mérnöki tervezést jelent, amelyet kidolgozott eljárásokkal folytatnak le. Ennek alapvetı célja új innovatív megoldás létrehozása Ez a kidolgozás eredménye lehet új, illesztett vagy variációs konstrukció. Az új konstrukció új megoldási elvvel történı feladatmegoldást jelent. Az illesztett konstrukció régi megoldási elv megvalósítása új környezetben. A variációs konstrukció régi megoldási elv újbóli alkalmazása régi konstrukcióhoz. A napjainkban alkalmazott tervezıi eljárások több mint 140 évvel ezelıtt REULEAUX elsı munkáiból (1861, 1875) fejlıdtek ki [111] és azokat mára gyakorlatilag egy-egy földrészre, illetve országra, azon belül is tervezıi iskolákra bonthatók. Így megkülönböztethetık európai, amerikai, illetve japán tervezéselméletek. A módszeres géptervezés gyökerei azonban Németországból erednek. A 2.1 táblázat összefoglalja a jelentısebb, klasszikus német tervezıi iskolákat és alapítóit. Tervezıi iskolák helye Ilmenau
Iskola alapító(k) Bischoff, Hansen
Berlin
Beitz
Darmstadt
Pahl 2.1 táblázat: Klasszikus német tervezıi iskolák
Az elméletek rendszerezése sokféle szempont szerint lehetséges, mégis alapvetıen két csoport képezhetı, amelyek a leíró és elıíró elméletek. Ezek az elméletek intuitív (tapasztalat, szakértelem) és/vagy diszkurzív (logikai kapcsolatok, ok-okozati összefüggések) szemléleten alapulnak. A leíró elmélet általában egy megoldásra törekszik úgy, hogy a feladatot megvalósító valamelyik modellt igyekszik pontosítani.
20
Az elıíró elmélet sok szálon vezeti a tervezést, ezért több lehetséges megoldás is létezhet, és ezekbıl a legjobbat különbözı döntés-elıkészítési módszerekkel választja ki. A módszeres géptervezésnél az általános érvényő folyamatterv ismerete a legfontosabb. A folyamatterv a tervezıi tevékenység általános modelljének tekinthetı, amely az iterációs folyamatra jellemzı visszacsatolásokkal rendelkezik. A 1. sz. melléklet összefoglalja a klasszikus géptervezés leginkább alkalmazott folyamatterveit. A VDI 2222 szabvány [120] folyamatterve, PAHL, BEITZ [78], HUBKA [55], [56], KOLLER [65], FRANKE [46] és ROTH [64] munkáin alapul. A tervezési folyamatban három fázis különböztethetı meg: feladatmegfogalmazási , funkcionális és kialakítási szakasz. Az egyes szakaszokat és az azokban alkalmazott módszertani eszközöket „Módszeres Géptervezés alkalmazása elvi megoldásokra” c. fejezet részletesen ismerteti. Általánosságban elmondható, hogy az eljárás alapja az, hogy a feladatot minden esetben részfeladatokra-, funkciókra bontják, amelyekkel szemben különbözı, kezdetben mőszaki a késıbbiekben gazdasági követelményeket állítanak fel. Ha az egyes részek, részfunkciók teljesítik az elıírt követelményeket az ún. összfeladatot akkor a feladatnak van megoldása. Több lehetséges megoldásnál újabb követelmények, kezdeti-, és peremfeltételek fogalmazhatók meg, amelyek segítségével kiválasztható a „legjobb” megoldás. Valamennyi eljárásra jellemzı, hogy a tervezést egymás utáni (szekvenciális) munkalépésekben, elıírt iránymutatások alapján végzik. A módszeres eljárások egyik legfıbb célja a minél több megoldásváltozat kidolgozása. Legelsı lépésként csoportosítani kell a már ismert és létezı megoldásokat. Ezek lesznek az alapváltozatok, amelyek egységként kezelhetık, és kedvezı kiindulási alapként szolgálhatnak újabb megoldás-variációk képzéséhez. Az egyes variációk között azonban vannak jobb és gyengébb megoldások, ezért a fel nem használható, vagy kevésbé jó megoldások számát már a funkcionális tervezés szakaszában célszerő korlátozni. A klasszikus módszerek elınye, hogy rendszerszemlélető gondolkodást tesznek lehetıvé. Az oktatásba könnyen bevezethetı, ipari feladatok megoldására kitőnıen alkalmasak. Megjegyezés: A módszer hátránya, hogy egyazon feladat megoldására a feladat komplexitásának függvényében több ezer megoldás is elıállítható, így a megoldások kezelése, kiválasztása bonyolult és idıigényes feladat, továbbá más tudományterületen (mechatronika, szoftverfejlesztés) való alkalmazása nehézkes.
21
2.2 Napjainkban alkalmazott terméktervezési eljárások A klasszikus elméletek egy adott mőszaki feladat megoldására fókuszáltak, nem veszik figyelembe az idıvel fellépı változásokat, az eljárások lineárisan merevek, hiányoznak a szervezés, gazdasági hatások és a menedzsment aspektusai. A követelményjegyzékekben elıtérbe kerültek az újszerőségre, a rövid innovációs szakasz megvalósítására, a gazdaságos anyag-, és energiafelhasználásra, minıségre, megbízhatóságra, biztonságra, környezeti hatásokra stb. vonatkozó követelmények. Új fogalmakat, elméleteket vezettek be mind az oktatásban, mind pedig a kutatásban. A 2.3 táblázat a teljesség igénye nélkül összefoglalja a legfıbb elméleteket és azok szerzıit. NÉV Vdi 2206 [117]
Tervezéselmélet Design methodology for mechatronic systems
Ottoson [77]
Dynamic Product Developement (DPD)
Pugh [82]
Total Design
Suh [100]
Axiomatic Design
Vajna, Burchardt
Integrated Product Developement (IPD)
Yoshikawa [128]
General Design Theory (GDT) 2.2. táblázat: Fontosabb tervezéselméletek
A multidiszciplináris tudományok térhódításával megjelennek a mechatronikai termékek, amelyek komplexitása már a tervezési és kialakítási fázisban megköveteli a funkciókra és a kialakításra irányuló rendszerkialakítás elvének alkalmazását a költségek, a gyártás és a technológia szempontjából. A mechatronikai rendszerek tervezésének általános V modelljét [117] a 2.1. ábra mutatja. A folyamatmodell a klasszikus tervezéselméletre (VDI 2221, VDI 2422) épül, amelyhez megfelelı feladatspecifikus tervezési eszközök és platformok szükségesek. Egy komplex mechatronikai gyártmány rendszerint nem egy tervezési ciklusban keletkezik. Sokkal inkább jellemzı, hogy több ismételt tervezési ciklusra is szükség van. A mechatronikai rendszer összetett funkciója az alrendszerek (mechanikai, elektronikai, információtechnológiai) egymást erısítı kölcsönhatásán alapul, amelyek különbözı fizikai szinteken, de párhuzamosan valósulnak meg. Az alrendszerek együttmőködése funkcionális és térbeli integráció által valósul meg. A funkcionális integráció lehetıvé teszi a vevıi igényekhez való rugalmas illesztést. A térbeli integrációnál a sokfunkciós elemek, egységek képzése (funkcióösszevonással), a mechanikai építıelemek számának csökkenéséhez, térfogatcsökkenéshez vezethet, vagy akár a dinamikai határértékek is javulhatnak. A tervezés, fejlesztés folyamatában megjelennek a számítógéppel segített tervezés eszközei (CAx) és kitüntetett szerepet kaphat a modellezés és szimuláció [51], [57].
22
2.1. ábra: VDI 2206 irányelve A terméktervezési folyamatokat az alábbi tevékenységekkel lehet jellemezni: keresés, variálás, összehasonlítás, értékelés, kiválasztás. Ezekre a tevékenységek minden termékfejlesztési fázisban megtalálhatók a termék bonyolultságától függetlenül. Ezekre a tevékenységekre elméletek sokasága alakult ki. VAJNA pl. a [9], [114] mőveiben genetikus algoritmusokat alkalmaz a megoldás(ok) kiválasztására. SUH [97], [98], [99], [100] axiómatikus tervezésének (AD) folyamatát mutatja a 2.2. ábra. Elméletének alapja az, hogy a tervezési folyamatot négy szempont (domain) szerint vizsgálja úgy, mint vásárlói (Cas), funkcionális (FRs), fizikai (DPs), eljárás (PVs). A vásárlói követelmények (Cas) meghatározzák a funkcionális követelményeket (FRs), amelyek meghatározzák a tervezés fizikai paramétereit (DPs). Többnyire ezt az eljárást tekintik tervezési folyamatnak. A folyamat változók (PV) meghatározása fizikai (DPs) paraméterekbıl történik. Az egyes tervezési szakaszok közötti tartományok kapcsolatát feltérképezésnek, vagy leképezésnek (Mapping) nevezi. Megfogalmazása szerint egy jó tervezési folyamat egy hatékony tervezési folyamatot jelent. A leírtak alapján két tervezési axióma, törvényszerőséget állít, amelyek meghatározzák a mérnöki tevékenységet: 1. axióma (függetlenség): egy tervezési paraméter (DP) megváltoztatása a funkcionális követelmény (FR) elérése érdekében úgy hogy más (FR)-re ne legyen hatása. 2. axióma (információ): Az egyenértékő tervek közül azt kell választani, amelyik kevesebb információt hordoz. A 1. axióma felírható a következı mátrix egyenlettel: FR = ADP ,
(2.1)
ahol A a tervezési mátrix (design matrix). Ha a mátrix diagonális akkor a tervezés ún. csatolásmentes tervezés (uncoupled design), mivel minden tervezési paraméter kielégíti a
23
megfelelı funkcionális követelményeket, azaz kielégíti a 1. függetlenségi axiómát. Ha a mátrix háromszög mátrix, akkor a tervezés egyetlen tervezési paramétertıl függı, azaz függetlenített (decoupled) tervezés, ekkor ugyancsak kielégíti az 1. axiómát, ha a tervezési szempontok sorrendje helyes. Ha a mátrix egyik csoportba sem tartozik akkor kapcsolt tervezésrıl beszélünk, azaz a tervezési paraméterek nem tudják függetlenül kielégíteni a követelményeket. Ekkor más követelményrendszert kell kialakítani a helyes tervezéshez.
2.2. ábra: Axiomatikus tervezés folyamata Az axiómatikus tervezés elsı lépésben csak néhány funkcionális követelményt fogalmaz meg az egyszerőbb vizsgálatok érdekében, majd ezeket a funkciókat tovább bontja részfunkciókra addig, amíg a tervezés kapcsolttá nem válik. Erre az elméletre szoftver ACCLARO DFSS készült, illetve 2000-tıl nemzetközi konferenciát szerveznek (International Conference of Axiomatic Design, ICAD). Az AD hátránya, hogy széleskörő elméleti ismereteket igényel. Ipari feladatok megoldására alkalmas. A tervezési folyamat idejét csökkenteni csak megfelelı elméleti tudás esetén lehet. PUGH terméktervezési folyamatát (Teljes Tervezés - Total Design) [82], mint általános menedzsment koncepcióként írja le, négy területre bontva: piackutatás, kiválasztás, terméktervezés és gyártás, ügyfélszolgálat. Az utóbbi 20-30 évben a felgyorsult mőszaki-technikai haladás következtében már nem csak mőszaki tervezésrıl, hanem terméktervezésrıl beszélnek. Ekkor a tervezésnél a termék teljes életpályája, az ötlettıl a megvalósításig, a vizsgálatok középpontjában áll. A terméktervezési folyamatok mellé módszertani eszközöket is kidolgoztak, mint pl. a DFx, FMEA, FEM, QFD, CAx. Napjaink célja a rugalmas fejlesztés egy komplex környezetben, amiben állandóan illeszkedni kell a dinamikusan változó követelményekhez és feltételekhez. A kidolgozott új elméleteket nem lehet élesen külön választani egymástól. HORVÁTH [54] pl. az alábbi kategorizálást ajánlja a terméktervezés teljes spektrumának leírására: • Tervezés filozófia (Design philosphy) • Tervezés technológia (Design technology) • Emberi eszközök (Human assets) • Tervezési ismeretek (Design knowledge) • Eszköz ismeretek (Artifacts knowledge) • Technológia ismeretek (Process knowledge) • Tervezés elmélet (Design theory) • Tervezés módszertan (Design methodology ) • Tervezési alkalmazások (Design applications).
24
Ezek a kategóriák jól illusztrálják a terméktervezés folyamatának összetevıit és egymáshoz viszonyított relatív helyzeteit. Ugyanakkor nem tesz javaslatot, és nem ad útmutatást az egyes tervezési fázisokban történı módszer, vagy módszerek kiválasztására és alkalmazására. A tudományos elméletekkel összehasonlítható a BOSCH terméktervezési folyamata, amelyet a párhuzamos tervezés (Concurrent Engineering) jellemez. A folyamatábrát a 2.sz. melléklet tartalmazza. A párhuzamos tervezésre jellemzı, hogy a termék teljes életciklusában (a feladat megfogalmazásától az értékesítésig) figyelembe veszik a minıségbiztosítást, az ütemezést és a felhasználói követelmények elemzését is.
2.3 Hazai tervezıi iskolák Magyarországon Budapesten és Miskolcon jöttek létre tervezıi iskolák, amelyek elméleti alapjai a német iskoláktól származtathatók. A Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen BERCSEY [9], [114] vezetésével kialakult tervezıi szemléletet számos tudományos munka [6], [7], [10] reprezentálja. A [43], [86], értekezésekben módszertan, illetve eszközt dolgoztak ki moduláris felépítéső gyártósorra, valamint folyamatmodellezésre a klasszikus és autogenetikus tervezéselmélet alapján. A Miskolci Egyetemen TERPLÁN és TAJNAFİI vezetésével alakult ki tervezıi iskola. A klasszikus tervezéselmélet alapjait DÖBRÖCZÖNI [5], [8], KAMONDI [5], [8], [61], illetve TAKÁCS [109] vezették be az oktatásba. Ezekhez kapcsolódóan számos oktatási anyag és tudományos munka [53], [61], [62], [63], [105], [106], [107], [109], [122] született. TAJNAFİI a [104]-ben, általa kidolgozott származtatás elmélet alapján kidolgozta a szerszámgépek struktúraképzését és kódolását [106]. TAKÁCS [109] számítógépes struktúrageneráló programot dolgozott ki síkköszörő gépekre. TAKÁCS Á [108] számítógéppel segített koncepcionális tervezési módszert fejlesztett ki terméktervezésre, amely fuzzy logikán alapul. A DÖBRÖCZÖNI és társai valmint DÖMÖTÖR és PÉTER [30], [31] munkáiban a szerzık a természeti analógiák és a TRIZ [39] módszer 40 alapelve között keresnek kapcsolatot. VIZI [122] PhD értekezésében megoldásváltozatokat dolgozott ki ciklois fogazatokat megmunkáló 2D-s szalagköszörő gépekre. Elméleti vizsgálatok után az általa megtervezett és megépített beszúró köszörőgépen sikeres megmunkálási kísérleteket folytatott le. A miskolci tervezıi iskolában kialakult tervezıi eljárások oktatása igényli az olyan módszerek és eszközök felhasználását mint pl.: FMEA, QFD, FEM, operációkutatás, genetikus algoritmusok, fuzzy logika, menedzsment, vezetıi stratégiák, stb. Az értekezés a klasszikus tervezéselmélet folyamatát követi az alábbiak szerint: • • • • •
Az értekezés témáját BOSCH ipari feladat indukálta. A klasszikus tervezéselmélet alkalmazása, amely a Miskolci Egyetem gépészmérnöki és doktori képzésében oktatási tananyag. A kidolgozandó feladat csak mőszaki követelményeket fogalmaz meg, nem tér ki sem a piackutatásra, menedzsment folyamatokra, marketingre, stb. Elvi megoldások meghatározása különbözı döntés elıkészítési módszerekkel a legkedvezıbb változat kiválasztásához és kidolgozásához. A kidolgozott megoldás megvalósítása és kísérleti vizsgálata.
25
2.4 Célkitőzés Jelen értekezés célja az, hogy a kor követelményeinek megfelelı, innovatív tartalmú, indítómotor kerüljön kifejlesztésre tervezésmódszertani eszközök felhasználásával. A kidolgozáshoz az alábbiakban felsoroltak szerint javasolt a kutatásokat elvégezni: •
Átfogó irodalom- és szabadalomkutatás, a fejlıdési és fejlesztési trendek megállapítására. A szabadalomkutatás során feltárt szerkezeteket tervezıi katalógusba foglalva megfogalmazhatók az összfeladatot teljesítı részfeladatok. A módszeres géptervezés szabályai szerint az egyes részfeladatokra fel kell tárni az elvi megoldásmezıt. A kapott megoldásmezıt különbözı döntés elıkészítési és kiválasztási módszerekkel az elvileg lehetséges megoldásokra korlátozódnak. A létrehozott funkcióstruktúra alapján új megoldás változatok kidolgozására nyílik mód.
•
Második lépésben az új megoldás változat kiválasztásához egy ismert és alkalmazott konstrukciót indokolt részletesen elemezni, és elvégezni a szerkezet kinematikai és dinamikai vizsgálatát. A vizsgálatokhoz az ismeretlen paramétereket méréssel célszerő meghatározni. Ennek eredményei nélkül a szimuláció nem hajtható végre pontosan.
•
A szimuláció alapjául szolgáló nemlineáris differenciálegyenletek származtatását, a mechatronikai rendszert egységesen leíró Lagrange-féle másodfajú mozgásegyenlettel célszerő elıállítani. A differenciál egyenletek numerikus megoldására Matlab környezetben készített program szolgálhat alapul.
•
Az eredmények figyelembevételével, modellvizsgálattal, majd egy prototípus kidolgozásával és megépítésével, továbbá kísérleti vizsgálatokkal indokolt alátámasztani a kiválasztott új megoldás alkalmazhatóságát.
26
3. MÓDSZERES GÉPTERVEZÉS ALKALMAZÁSA ELVI MEGOLDÁSOKRA A géptervezés számos módszerének közös jellemzıje, hogy az adott tervezési feladathoz a kiindulási pont a funkciót megvalósító, már bevált konstrukció. Az elızetes kutatások, szerkezeti elemzések alapján célszerő a klasszikus módszeres géptervezés eszközeit felhasználni újabb konstrukciók, megoldásváltozatok kifejlesztéséhez. Erre a leginkább használatos segédeszköz a tervezıi katalógus, más néven tudásmátrix vagy Roth-mátrix, amely egy táblázatos ismerettároló. A tervezıi katalógus elınye, hogy könnyen áttekinthetı, tovább bıvíthetı és fejleszthetı. Az új megoldások képzésének legfıbb iránya, hogy a szükséges funkciókat megvalósító szerkezeti megoldások és mechanizmusok helyett a kor követelményeinek jobban megfelelıket részesíti elınyben. A tervezés az új megoldások kereséséhez a funkcióösszevonás- és szétválasztás elveit széleskörően felhasználja. A legmegfelelıbb megoldás kiválasztására, valamilyen érték-összehasonlítást alkalmaznak különbözı döntés-elıkészítési módszerek felhasználásával. Az irodalom- és szabadalomkutatás során feltárt indítómotor szerkezetek tervezıi katalógusát a 3. sz. melléklet tartalmazza. A tervezıi katalógus három részre bontható: • • •
Csoportosítási rész: A leglényegesebb szempontok a felsorolását tartalmazza. Eszerint az indítómotorok egyetlen szempont szerint csoportosíthatók, amelyet az értekezés alapváltozatnak nevez. Fı rész: A katalógus lényegi tartalmát foglalja össze. Az indítómotorok két fı szerkezeti egységét, amelyek villamos motor és a kapcsolómechanizmus, három részre bontja, villamos forgórész, nyomatékerısítı és a hajtó-fogaskerék kapcsolás módja. Kiegészítı jellemzık: A felhasználási célokhoz alkalmazkodóan ide tartoznak az egyes indítómotorok elınyei, hátrányai és a hivatkozott szabadalmak.
Az értekezés a kidolgozandó feladat megoldására a [119] irodalom által bemutatott folyamattervet (3.1. ábra) és a FRANKE-féle keresı mátrixot veszi alapul [46]. A mátrix fı részeit a 3.2. ábra szemlélteti. A keresı mátrix oszlopaiban a tervezıi eljárások fontosabb lépései és módszerei találhatók, míg a mátrix soraiban a tervezés során alkalmazható alaptevékenységek. A sötétszürkével jelzett mezık jelentik az egyes lépésekhez tartozó, leginkább javasolt és alkalmazandó módszereket és alaptevékenységeket. A világosszürke mezık a javasolt vagy úgynevezett kiegészítı tevékenységeket, míg az üresek a nem alkalmazható tevékenységeket jelentik.
27
3.1. ábra: Az általános folyamatterv struktúrája (VDI 2222/1) [119]
3.2. ábra: FRANKE-féle keresımátrix [46]
28
3.1 A tervezési feladat megfogalmazása A tervezés elsı lépése a feladat absztrakciója. A feladatot úgy célszerő megfogalmazni, hogy az csupán azt a célt tartalmazza, amelyet a tervezés során létrehozott mőszaki alkotásnak feltétlenül teljesítenie kell. Ezek alapján a tervezési feladat a következıképpen fogalmazható meg: „Személygépjármővek belsı égéső motorjainak indítására alkalmas, új technikai elvő berendezés tervezése”. Ez a megfogalmazás a szakemberek számára megadja azokat a szempontokat, amelyeket a tervezéskor figyelembe kell venni. Nagyon fontos, hogy már ebben a szakaszban megfogalmazásra kerüljenek az alapvetı követelmények, amelyek kiindulási pontot képeznek a kitőzött feladat további kibontásához. A megfogalmazott feladat lehetséges tervezési követelményjegyzékét a 3.1. táblázat tartalmazza. A követelmények a [106] irodalom alapján négy nagy csoportra bonthatók: • funkcionális vagy alapkövetelmények, amelyek meghatározzák a feladat tulajdonképpeni célját, mindig az adott feladathoz rendeltek; • általános követelmények, indítómotorokkal szemben támasztott általános fı követelmények; • kiemelt, az adott korra jellemzı követelmények, a fejlesztési stratégiákat leginkább befolyásoló követelmények; • minden gépre jellemzı követelmények. A feladattal szemben támasztott követelmények Funkcionális követelmények
Belsıégéső motor indítása, új technikai megoldás a hajtáslánc megváltoztatása nélkül
Általános követelmények
Nagyszámú kapcsolás, rövid kapcsolási idı, építıszekrény elv, moduláris kialakítás, alacsony zajszint, stb.
Kiemelt követelmények
Meghibásodás esetén gyors javítási, szerelési lehetıség vagy cserélhetıség, sokféle motorhoz könnyő illeszthetıség, szélsıséges idıjárásnál is mőködıképesség, megbízhatóság, stb.
Minden gépre jellemzı követelmények
Kis helyszükséglet és súly, hosszú élettartam, gyártási követelmények, iparjogi követelmények, egyéb (pl. szervízelési) követelmények, stb.
3.1. táblázat: Tervezési követelményjegyzék
29
3.2 Funkcióstruktúra felállítása A tervezési folyamat következı szakaszában, a funkcióstruktúra képzésekor (3.3. ábra), megoldási elvek keresésével és kombinálásával meghatározhatók az alapvetı elvi megoldások [13], [66], [67], [80], [83], [129], [130]. Az értekezésben a funkcionális tervezés szakaszának lépéseit és alkalmazott módszereit a 3.4. ábra foglalja össze. A Hagyományos segédeszközök közül az irodalomkutatás, mérések, modellkísérletek, ismert mőszaki rendszerek analízise alkalmazható, míg az intuítív módszerek közül a brainstorming és a kombinált módszer.
3.3. ábra: Funkcióstruktúra részei A funkció pontos meghatározásához nagy segítséget nyújt a [13] által közölt és 1000 szót tartalmazó, a mőszaki gyakorlatban elıforduló cselekvéseket kifejezı igék győjteménye. A leggyakrabban alkalmazott 220 ige megtalálható a [64] irodalomban. Ezek alapján az egyes részfeladatok és részfunkciók meghatározhatók. A 4.sz melléklet az összfeladatot teljesítı részfeladatokat és részfunkciókat, és az azokat teljesítı hatásokat mutatja. Minden egyes részfeladatot, részfunkciót létrehozó hatáshordozó az energiahordozók fajtája szerint csoportosítható. Így például megkülönböztethetık mechanikai, hidraulikus, pneumatikus és villamos hatáshordozók. A funkcióstruktúra egyes blokkjaiban aláhúzás jelöli a cselekvést kifejezı igéket. A következı leírásban és elemzésben az egyes részfeladatok és részfunkciók a szövegben kiemelten szerepelnek. A 4.sz. melléklet funkcióstruktúráján a 4 szaggatott vonalat tartalmazó blokkoknál a mechanikus, hidraulikus, pneumatikus, villamos blokkokhoz való csatlakozást kell érteni.
3.4. ábra: A funkcionális tervezés szakaszában alkalmazott módszerek A 4. sz. melléklet alapján az energiaforrást igénybe vesz részfeladatot gépjármővek esetén a gépjármőben elhelyezhetı tápegység biztosítja, amely a belsıégéső motor beindítása mellett más, az összfeladathoz nem tartozó funkciót is ellát. Számba kell venni, hogy milyen 30
energiaforrások létezhetnek, illetve melyek azok, amelyek az összfeladat megoldására alkalmasak. A 3.2. táblázat foglalja össze a hidraulikus, pneumatikus és villamos energiaforrások legfontosabb jellemzıit [84], [85]. A berendezést a fıtengellyel összekapcsol részfeladathoz két részfunkció tartozik. A kapcsolatot létrehoz részfunkció a kapcsolat típusára (pl. lendítıkerék fogaskoszorúfogaskerék kapcsolat), a kapcsolatot mőködtet részfunkció a kapcsolat létrehozásának módjára utal. A radiális és axiális mozgást biztosít részfunkciók kombinációja nem szerepel a funkcióstruktúrában, mivel nem felel meg a helyigény követelményének. A két részfunkció között ok-okozati kapcsolat van. Jellemzık
motor, szivattyú, akkumulátor, irányító elemek, kiegészítı berendezések
Részegységek
Pneumatikus tápegység
Hidraulikus tápegység
Energia tárolhatósága korlátozott
Villamos tápegység
motor, kompresszor, levegı-elıkészítı egység, kiegészítı berendezések
akkumulátor cellák, vezetékek, kapcsolók
könnyő
könnyő
Energiaszállítás
korlátozott (kis távolság)
korlátozott (közepes távolság)
korlátlan (nagy távolságok)
Energiahordozó költsége
nagy
nagyon nagy
kicsi
Hatásfok
jó
rossz
rossz
Biztonság
jó
jó
jó
Környezeti hatások
tőzveszély
robbanásbiztos, nem megfelelı hımérséklet-érzéketlen kezelés esetén káros
Szerkezeti elemek költsége
nagy
viszonylag kicsi
viszonylag kicsi
Teljesítménysőrőség
nagy (nagy nyomás, kis beépítési méret)
kicsi (nagy nyomás nagy hengerek)
kicsi (nagy motor nagy teljesítmény)
3.2. táblázat: Energiaforrások összehasonlító táblázata [84],[85] A fıtengelyt hajt részfeladatnak a részfunkciója: forgó mozgást létrehoz. A 3.4. táblázat a forgó mozgás létrehozására alkalmas motorok tervezıi katalógusát tartalmazza, a mechanikus hatáshordozóval történı forgó mozgás létrehozására alkalmas berendezések rendszerezését nem. Ugyanis a mechanikus hajtások a nyomatékot változtat és a berendezést a fıtengellyel összekapcsol részfeladathoz is rendelhetık, azaz az egyes részfeladatok és részfunkciók összevonhatók. A 3.3. táblázat a forgó mozgás létrehozására alkalmas hidraulikus, pneumatikus és villamos hajtások jellemzıit hasonlítja össze. Mechanikus hajtásokra jól bevált tervezıi katalógusok állnak rendelkezésre [64]. Ezeknek a katalógusoknak elınye az, hogy már meglévı részmegoldásokat tartalmaznak, és a célnak legjobban megfelelıt csak ki kell választani. A nyomatékot változtat részfunkció hidraulikus és pneumatikus hatáshordozóinak részmegoldásai a nyomást meghatározó szelepek.
31
3.3. táblázat: Forgó mozgás létrehozására alkalmas motorok tervezıi katalógusa
32
Jellemzık
Hidraulikus hajtás
Pneumatikus Villamos hajtás hajtás
Forgó mozgások létrehozása
egyszerő
egyszerő
egyszerő
Fordulatszám
korlátozott
nagy
korlátozott
Elérhetı nyomaték
igen nagy
alacsony
nagy
Nyomatékváltoztatás
egyszerő és pontos
egyszerő
egyszerő
Hatásfok
jó
rossz
jó
Kapcsolás
körülményes
egyszerő
egyszerő
Jelátvitel
lassú és korlátozott
gyors és korlátozott
gyors és problémamentes
Vezérlıelemek: - Kapcsolási idık - Beépítési méret - Élettartam
közepes
kicsi
nagyon kicsi
nagy
nagy
nagy
nagy
igen nagy
igen nagy
Környezettel szembeni érzékenység: - Szennyezıdés - Nedvesség - Hıképzıdés
nagy
kicsi
nagy
kicsi
kicsi
nagy
nagy
kicsi
nagy
Kezelés és karbantartás
jó
igen jó
jó
3.4. táblázat: Hajtások összehasonlító táblázata A belsıégéső motorok beindítása után, az indító berendezést valamilyen módon vezérelni, pl. alaphelyzetbe állítani kell. Egyrészt azért, hogy a következı indításnál a folyamat megismételhetı legyen, másrészt az esetleges károsodások megelızésére. Egy berendezést akkor szoktak alaphelyzetbe állítani, ha valamilyen kényszerkapcsolatban van egy másik berendezéssel, jelen esetben a fıtengellyel. A berendezés vezérlése a kerületi sebesség vagy a forgató nyomaték határolásával oldható meg. A funkciót vált részfunkció szorosan összeköthetı a közvetlen meghajtással. Ilyen esetekben a berendezés nem állítható le [S65], [S68].
3.3 Megoldási elvek keresése, a megfelelı változatok kiválasztása A funkcióanalízis alapján az egyes részfeladatokat megvalósító részfunkciók között gráfszerő hierarchia építhetı fel [22], [67], [92]. A kitőzött feladat követelményeit teljesítı megoldásokhoz az egyes hatáshordozókat célszerő morfológiai dobozba, azaz mátrixba foglalni [22], [33], [129]. A mátrixban az egyes sorokhoz tartozó mezık összekapcsolható a következı sor elemeivel. Minden egyes részfunkcióhoz az egyes energiahordozókat hozzárendelve és összekapcsolva a hatáslánc lehetséges kombinációi adódnak. Az SFA, …, SFE jelöléseket a 4.sz. melléklet és a jelölésjegyzék értelmezi. A jelölések utolsó 1… 4 számjegyei rendre a mechanikus (*.1), hidraulikus (*.2), pneumatikus (*.3), villamos (*.4) hatáshordozókat jelölik. Így például a B12.1 jelentése: Axiális kapcsolatot biztosít mechanikus energiaátadással.
33
A 3.5. táblázat morfológiai mátrixa alapján egy napjainkban alkalmazott indítómotor funkcióstruktúrája a következı: A4-B12.1-B21.1-C4-D4-E12.1, ahol az egyes jelölések tartalma a következı: A4 B12.1 B21.1 C4 D4 E12.1
villamos tápegységrıl vezérel kapcsolatot létrehoz, nyomatékot közvetít mechanikus energiaátadással kapcsolatot mőködtet, axiális mozgást biztosít mechanikus energiaátadással fıtengelyt hajt, forgó mozgást létrehoz villamos hajtással nyomatékot változtat mechanikus energiaátadással fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel, nyomatékot határol mechanikus nyomatékhatárolóval. SFA SFB
SFB11 SFB12 SFB21 SFB22
SFC SFD SFE
SFE11 SFE12
A1 B11.1 B12.1 B21.1 B22.1 C1 D1 E11.1 E12.1
A2 B11.2 B12.2 B21.2 B22.2 C2 D2 E11.2 E12.2
A3 B11.3 B12.3 B21.3 B22.3 C3 D3 E11.3 E12.3
A4 B11.4 B12.4 B21.4 B22.4 C4 D4 E11.4 E12.4
3.5. táblázat: A funkcióstruktúra morfológiai mátrixa A lehetséges elvi megoldások száma az alábbi összefüggés szerint határozható meg:
TS = SFA ⋅ SFB11 ⋅ SFB12 ⋅ SFB21 ⋅ SFB22 ⋅ SFC ⋅ SFD ⋅ SFE11 ⋅ SFE12 = 49 = 262144 .
(3.1)
Könnyen belátható, hogy az SFB11 és SFB12, SFB21 és SFB22, illetve az SFE11 és SFE12 részfunkciók között VAGY kapcsolat van, ezért az elvi megoldások száma az alábbiak szerint határozható meg:
TS = SFA ⋅ ( SFB11 + SFB12 ) ⋅ ( SFB21 + SFB22 ) ⋅ SFC ⋅ SFD ⋅ ( SFE11 + SFE12 ) = 32768 .
(3.2)
A (3.2) egyenlet alapján a kapott megoldásváltozatok száma redukciós kiválasztási eljárással tovább csökkenthetı. Az A1 mechanikus energiaforrás hatáshordozó részmegoldása lehet emberi erı, vagy rugó. A leggyakrabban lendítıkerekes energiatárolókat alkalmaznak. Hibrid személygépjármővekben két kivitel különböztethetı meg: a tisztán mechanikus és az elektromos lendítıkerekes energiatárolók. Ezek fı funkciója a fékezési energia hasznosítása. Elınye a gyors energia felvétel és leadás, és a 90% körüli hatásfok. Ezek a megoldások rögtön el is vethetık, mert egyrészt a kor és a technika követelményeinek nem felelnek meg, másrészt a személygépjármő hajtásláncának megváltoztatása nem lehetséges. Az SFB21 és SFB22 részfunkciók ebben az alacsony konkretizáltságú fázisban elhagyhatók, mert a kapcsolat létrehozására és mőködtetésére konkrét megoldásokat célszerő kidolgozni, ahol a hatáshordozók kombinálhatók is. Az egyes részfunkciókat meg nem valósító hatások (B12.4, C1, D4, E1.1) a morfológiai mátrixból kivehetık, az egyes részfunkciók sorrendje a 3.6. táblázat alapján módosul.
34
SFA SFC SFD SFB SFE
SFB12 SFE11 SFE12
D1 B12.1 E11.1 E2.1
A2 C2 D2 B12.2 E11.2 E2.2
A3 C3 D3 B12.3 E11.3 E2.3
A4 C4 B12.4 E11.4 E2.4
3.6. táblázat: A funkcióstruktúra módosított morfológiai mátrixa A fenti korlátok figyelembevételével a redukált és elméletileg lehetséges megoldások száma:
TSM = ( SFA ⋅ SFC ⋅ SFD ⋅ SFB12 ⋅ ( SFE12 + SFE11 ) ) = ( 3 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ ( 4 + 4 ) ) = 864 . (3.3) Az így kapott megoldásmezıt a megvalósítható megoldásokra célszerő korlátozni. Két összeférhetı hatáshordozó megoldási lehetıségeit egy mátrix fejoszlopába és fejsorába rendezve, az összeférhetıség egymás után sorban könnyen ellenırizhetı. Két azonos hatáshordozót egymással kombinálni nem lehet, így egy felsı háromszög mátrixot kapunk. A lehetetlen vagy meg nem valósítható kombinációkat ponttal jelölt fehér négyzetek jelölik, a lehetséges kombinációkat pedig üres fehér négyzetek. A 3.5. ábra szerinti összeférhetıségi mátrix alapján az összfeladat lehetséges elvi megoldásai fa diagramba rendezhetık (1.6 ábra). Az életképtelen megoldásokat sraffozott aláhúzás tünteti fel.
3.5. ábra: Összeférhetıségi mátrix
35
3.6. ábra: Az összeférhetıségi mátrix kombinációs változatai Az SFB21 és SFB22 részfunkcióval újra kiegészítve az összes lehetséges elvi megoldások száma: TSM = 2 ⋅ 4 ⋅ 28 = 224 , (3.4) amely az energiaforrások fajtája az alábbi három nagy csoportra bontható: Hidraulikus tápegységrıl vezérelt:
TSMA 2 = 2 ⋅ 4 ⋅12 = 96 . Pneumatikus tápegységrıl vezérelt: TSMA3 = 2 ⋅ 4 ⋅12 = 96
.
(3.5) (3.6)
Villamos tápegységrıl vezérelt indító berendezés:
TSMA 4 = 2 ⋅ 4 ⋅ 4 = 32 .
(3.7)
A hidraulikus és pneumatikus tápegységeknek biztosítani kell egy megfelelı elsıdleges energiaforrást, amely rendszerint elektromos tápegység. Ezért a továbbiakban csak a villamos tápegységrıl vezérelt indítóberendezéseket (3.7 ábra A4 ága) vizsgáljuk. Meg kell említeni, hogy léteznek hidraulikus [S33], [S50] és pneumatikus [S67] indító berendezések is, illetve úgynevezett hidraulikus hibrid hajtások (HEDDAT). A hidraulikus hibirid hajtás lényege az, hogy a belsıégéső motor egy szivattyút hajt meg, amely a folyadékkör és egy hidromotor közbeiktatásával forgatja a gépjármő kerekeit, illetve tölti fel az akkumulátorokat. Így egyfelıl fokozatmentes erıátvitel valósítható meg, másrészt a nyomástároló rendszer energiájával az álló motor újraindítható. Pneumatikus indító berendezésekkel pl. a „Formula” versenyek autóit indítják. A 3.7. táblázatban látható a megjelölt szabadalmak funkcióstruktúra kódjai. Funckióstruktúra
Szabadalom
A2-B11.2-B21.2-C2-D2-E12.1
[S33], (3.7. ábra)
A2-B11.2.-B21.2-C2-D2-E12.2
[S50]
A3-B11.3-B2.13-C3-D3-E12.1
[S67], (3.8. ábra)
3.7. táblázat: Szabadalmaztatott hidraulikus és pneumatikus indító berendezések funkcióstruktúra kódjai
36
3.7. ábra: Hidraulikus indító berendezés [S33]
3.8. ábra: Pneumatikus indító berendezés [S67] A személygépjármővekben alkalmazott indító berendezések elektromos akkumulátorról kapják a szükséges energiát. Az akkumulátorok alapvetı típusait és jellemzıit a 3.8. táblázat tartalmazza [35], vastag betővel kiemelve a gépjármővekben alkalmazottakat. Ezen kívül léteznek még kondenzátoros energiatárolók is, de a rövid tárolási idı miatt az akkumulátorral párosítva kerülnek beépítésre. A vizsgálatokhoz az energiát ólom akkumulátor szolgáltatja. A (3.7) egyenlet alapján a villamos tápegységrıl vezérelt indító berendezéseknek 32 db elvileg lehetséges megoldása létezik. A 3.9. táblázat a kiválasztott elvi megoldásváltozat részmegoldásait tartalmazza a 1.1 táblázat követelményjegyzéke alapján. Az erre kidolgozott megoldásváltozatokat rendre tervezıi katalógusba foglaltuk, amelyet az 5. sz. melléklet tartalmaz.
37
Megnevezés
Energiasőrőség Tárolási hatásfok [%] [Wh/kg]
Ólom
30…50
80
Lítiumion
100…150
70
Nikkel/kadmium
45…65
70
Nikkel/fémhibrid
60…70
70
Nikkel/vas
40…60
60
Nikkel/cink
55…85
70
Cink/bróm
70…80
75
Nátrium/kén
100…140
85
Nátrium/nikkel-klorid
90…130
80
3.8. táblázat: Akkumulátorok típusai Részfunkció
Az „Elvi megoldás” részmegoldásai
A kiválasztást döntıen befolyásoló ok(ok)
A4
Akkumulátor
Napjainkig alkalmazott, legelterjedtebb megoldás
B12.1
Hengeres fogaskerékhajtás
A hajtáslánc nem alakítható át
B21.1
Axiális kapcsolatot biztosító mechanizmus
Pontos pozícionálás
C4
DC motor (állandó mágnes, ill. soros gerjesztéső)
Legnagyobb az indítónyomatéka
D4
„kb” típusú bolygómő
Legkisebb a helyszükséglete és nagy nyomaték átvitelére alkalmas
E12.1
Mechanikus visszafutásgátló, szabadonfutó
Legkisebb a helyszükséglete, és egyszerő a vezérlése
3.9. táblázat: A kiválasztott elvi megoldás részfunkciói A megfelelı megoldásváltozatok kiválasztására többféle értékelemzési módszer létezik. Az értekezés a rendszertechnika használati értékanalízisét (UVA), és a [98] szabványban megfogalmazott irányelvek szerinti értékelés alapján foglalja össze az „értékelési kritériumokat”, amelyek a 3.10. táblázatban találhatók. A lehetséges megoldás változatok, egymással is, és egy ismert, már jól bevált megoldással (3.11. ábra C1 megoldás) is összehasonlíthatók. Az értékelési feltételek meghatározásának legfontosabb kiindulási alapja a követelményjegyzék. Az értékelési feltételek megfogalmazása mellett fontos, a feltételek jelentıségének (súlyának) a megoldás összértékére vonatkozó ismerete, amelyet a 3.10. ábra mutat. Az összértéket az alábbi összefüggés adja: n
Wg j =
Σg w i =1
i
ij
n
w max Σg i
,
(3.8)
i =1
38
ahol wmax=4 a VDI 2225 szabvány szerint. A súlyozó tényezı valós pozitív szám, amely megadja az értékelési feltételek egymáshoz viszonyított jelentıségét. A gzii (3.9. ábra szerinti) súlyozási tényezık 0 és 1 közötti számok és az összes értékelési feltételek értékeinek összege egyenlı 1-el. A súlyozási tényezık definiálása a követelményjegyzék alapján történt. A súlyozási tényezık konkrét értékei csoportmunka (brainstorming) eredményeként jöttek létre. Értékskála Használati értékanalízis
VDI 2225 irányelv [120]
Pontszám Értelmezés
Pontszám Értelmezés
0
Teljesen használhatatlan megoldás
1
Nagyon hiányos megoldás
2
Gyenge megoldás
3
Elviselhetı megoldás
4
Kielégítı megoldás
5
Megfelelı megoldás
6
Jó megoldás kevés hiányossággal
7
Jó megoldás
8
Nagyon jó megoldás
9
Célkitőzést meghaladó megoldás
10
Ideális megoldás
0
Nem megfelelı
1
Éppen elviselhetı
2
Kielégítı
3
Jó
4
Nagyon jó (ideális)
3.10. táblázat: Értékelési kritériumok A gyenge pontok az egyes értékelési feltételekre vonatkozó, átlagon aluli értékek alapján ismerhetık fel. A megoldásváltozatok gyenge pontjainak felismeréséhez az egyes részértékek grafikus ábrázolása célszerő (3.10. ábra). A sávok hossza az érték nagyságának, a sávok szélessége pedig a súlyozás mértékének felel meg. A bevonalkázott területek a megoldásváltozatok összértékét adja. Egyértelmően látható, hogy azokat a részértékeket szükséges javítani ahol a sáv széles, azaz nagyobb súlyozási értékő, de még viszonylag rövid. A nagy összérték mellett fontos a kiegyenlített értékprofil, az értékelési paraméterek minél jobb összátlaga, amely alapján megállapíthatók az egyes változatok gyenge pontjai, mint a helyszükséglet, egyszerő alkatrészek, súly, nagyszámú kapcsolás.
39
3.9. ábra: Értékelési feltételek 3.11. táblázat összefoglalja az egyes megoldásváltozatok (5.sz melléklet) értékelésének eredményét. A 3.11. ábra bemutatja a C7 és B1 megoldásváltozatokat. A C7 viszonylag egyszerő felépítéső, a hosszirányú méretei B1-hez képest csekély mértékben növekedtek. Az indítómotor villamos része állandómágnes-gerjesztéső (Forgó mozgást létrehoz részfunkció). A motor nagy fordulatszáma fogaskerék-bolygómővel csökkenthetı, ezáltal az indítási nyomaték nı, a konstrukció kisebb mérető lesz (Nyomatékot módosít részfunkció). Az axiális elmozdulást a C7 megoldásban kettıs tolórudas mechanizmus biztosítja, amely a toló mágnessel összekapcsolt. A rudak az állandó mágnes szegmensei és a szénkefék között helyezkednek el, ami a rudazat maximális átmérıjét meghatározza. A kommutátor és a toló mágnes árambevezetı részei viszonylag közel helyezhetık el egymáshoz, ezáltal a vezeték belsı ellenállása kicsi lesz, így lényegesen nem romlik az indítómotor hatásfoka. A fıtengelyberendezés kapcsolatot vezérel részfunkció megoldására a B1 jelő változatban kidolgozott konstrukció mutatkozik elınyösnek. A toló mágnesen rudazatához kapcsolódik a mozgó érintkezı, amely gerjesztéskor együtt mozog axiális irányban (Axiális kapcsolatot biztosít részfunkció).
40
3.11. táblázat: Megoldásváltozatok kiértékelése
41
3.10. ábra: Egy új megoldásváltozat (C7) és egy ismert megoldás (B1) értékprofilja
3.11. ábra: A C7 és B1 megoldás elvi vázlata Az elemzésbıl az a következtetés vonható le, hogy a berendezés legkényesebb pontja az axiális kapcsolatot biztosító mechanizmus. Ezért a további megoldásváltozatok kidolgozásakor az értekezés erre a részfunkcióra helyezi a hangsúlyt. Ez a fejezet a klasszikus tervezésmódszertani eszközökkel, elvi hatás szinten tárta fel az elméletileg lehetséges megoldásokat. Megállapítást nyert, hogy a kapott megoldásmezı három nagy csoportra bontható úgy, mint villamos, hidraulikus, pneumatikus energiaforrásról vezérelt indító berendezések. Különbözı döntés elıkészítési módszerekkel kiválaszthatók az életképes megoldások. A fejlesztési irány meghatározása – a döntés – minden esetben a megbízó gyár mérnökeivel közösen történt. Az elvi megoldások részfunkcióihoz mindig tervezıi katalógusok készültek, amelyek alapján megállapítható volt, hogy a tervezés és fejlesztés nem mindig jelenti új szerkezet létrehozását, sokkal logikusabb a korábbi hasonló termékek közül a legmegfelelıbbet kiválasztani, annak gyenge pontjait a követelményeknek és mőszaki lehetıségeknek megfelelıen átdolgozni, korszerősíteni.
42
4. A KAPCSOLÓMECHANIZMUS MODELLEZÉSE ÉS SZIMULÁCIÓJA A 4. fejezet egy eddigiekben jól bevált és széles körben alkalmazott indítómotor kapcsolómechanizmusát (B1 megoldás) vizsgálja. A kapcsolómechanizmus az indítómotor egyik legkényesebb része. Mőködését tekintve két fı feladata van: A fogaskerék kapcsolódás létrehozása és annak megszüntetése A fıáramkör zárása, és minél gyorsabb oldása. A két részfunkció szoros kapcsolatban van kapcsolómechanizmusoknak két alapvetı típusa ismert:
egymással.
Az
indítómotor
Közvetlen mőködtetéső, amelynél az indítómotor és a kapcsolómechanizmus egytengelyő [S22], [S23], [S24], [S27], [S54], [S60], [S61], [S62] Közvetett mőködtetéső, a kapcsolómechanizmus és az indítómotor tengelye nem esik egybe, azaz a hajtó-fogaskerék elıre mozdulását a kapcsolókar vagy kiemelıvilla végzi [S2], [S4], [S5], [S11], [S16], [S34], [S55]. A következı vizsgálatok célja a mechanizmus kinematikai és dinamikai viszonyainak megismerése, amely az új kapcsolómechanizmus kialakításához szolgál alapul. Az értekezésben valamennyi matematikai modell felírásához a másodfajú Lagrange egyenlet alapján történik. A Lagrange függvényben a kiegészítı kinetikus és kiegészítı mágneses energia szerepel. A kiegészítı mágneses energia mind a mechanikai - a vasmag pozíciójának parciális deriváltja-, mind pedig a villamos – az áramerısség szerinti parciális deriváltja egyenletben megjelenik. Az induktivitás meghatározásához az elektromágneses erı mérése szolgál, amelynek elméleti alapja az energia bázisú leírásmód. A kísérlet közvetett módon határozza meg az induktivitást a vasmag pozíciójának és az áramerısség függvényében. A kapcsolómechanizmus elektrodinamikai viselkedését leíró nemlineáris differenciálegyenletrendszert programozható alakra hozva, Matlab környezetben, meghatározhatók az egyes pl. az áramfelvétel, elmozdulás, sebesség jellemzık az idı függvényében. A modellek jó közelítéssel alkalmasak valamennyi elektromágneses mőködtetéső indítómotor kapcsolómechanizmusának modellezésére és szimulációjára a megfelelı beviteli adatok mellett.
4.1 Szerkezeti elemzés A 4.1. ábra egy közvetett mőködéső indítómotor kapcsolómechanizmusát szemlélteti, amely elektromágnesbıl, 3 db rugóból, kiemelıvillából és a szabadonfutóval egybeépített hajtófogaskerékbıl áll. A vasmag által megtett út hossza (l3) fontos jellemzı, ugyanis ez határozza meg a hajtófogaskerék axiális irányú elmozdulását (h2). Ha az elmozdulás útja rövidebb a szükségesnél, a fogaskerék kapcsolat nem megfelelı, ha hosszabb, akkor a görgıs szabadonfutó csészéje beleérhet a fogaskoszorúba-csapágyházba és tönkremehet. Az elektromágnes mőködésekor a fıáramkör záró érintkezıje a megfelelı elmozdulási helyzetben zár. Az érintkezıknek rendelkeznie kell ún. leégési tartalékkal, ugyanis az áramkör zárásakor, de különösen nyitásakor a nagy áramerısségek miatt erıs szikrázás lép föl, ami az érintkezık fogyását okozza.
43
A kapcsolómechanizmus funkcióvázlatát a 4.2. ábra szemlélteti ahol egyes blokkok jelölései az alábbiak: 1 - Vasmagos tekercs 2 - Haladó-haladó mozgásátalakító 3 - Szabadonfutóval egybeépített hajtó-fogaskerék.
1
4.1. ábra: Indítómotor kapcsolómechanizmusa [71]
2
3
4.2. ábra: A hagyományos kapcsolómechanizmus (PEM) funkcióvázlata
A 4.3. ábra az elektromágnes szerkezeti felépítését, a 4.4 ábra a mőködtetı áramkört mutatja, amelynek jelölései: energiaforrás (1), indítómotor forgórésze (2), gyújtáskapcsoló (3), elektromágnes (4), behúzótekercs (4a), tartótekercs (4b) Az akkumulátor és az elektromágnes csatlakozója (T30), az elektromágnes és az indítómotor forgórészének csatlakozója (T45), a gyújtáskapcsoló és az elektromágnes csatlakozója (T50).
4.3. ábra: Az elektromágnes szerkezete [71]
4.4. ábra: Az indítómotor áramköri rajza [71]
Az áramkör zárásakor (4.4. ábra szerint 3 kapcsoló) a behúzó tekercsének (4.3. ábra 2) és tartó tekercsének (4.3. ábra 3) együttes hatására a mágneskapcsoló vasmagja (4.3. ábra 1) az elıfeszített vasmag-visszaállító rugó (4.3. ábra 10) ellenében elmozdul. A vasmaghoz kapcsolódó rúd jobbra húzza a kiemelıvilla felsı végét. A kiemelıvilla alsó vége, a
44
vasmaghoz kapcsolódó rúd hornya és a kiemelıvilla közötti holtjáték kiküszöbölése után, a fogaskerék tekercsrugó közvetítésével a kihajtó tengely evolvens profilú ferdefogú, agyrészén elıre, bekapcsolási helyzetbe mozdul. A holtjáték funkciója az, hogy a mőködtetés befejezésével a fıáramkör minél elıbbi bontása, és a mechanizmus alaphelyzetbe állítása. A vasmag egy bizonyos elmozdulás megtétele után az érintkezıhíd hüvelyre (4.3 ábra 9) szerelt mozgó érintkezıt (4.3 ábra 8) jobbra tolja az elıfeszített érintkezıhíd rugó (az ábrán nem számozott) ellenében. Amikor a hajtó-fogaskerék a forgattyús tengelyre szerelt és a lendítıkerékkel egybeépített fogaskoszorú fogai közé csúszik, akkor a mozgó érintkezı (4.3 ábra 8) az álló érintkezıvel (4.3 ábra 6) ütközik, és a fıáramkör záródik, és az indítómotor forgórésze teljes indítási áramot kap. A fıáramkör zárása áthidalja a behúzótekercset (4.3 ábra 2), amely elsısorban a fogaskerék kapcsolásában játszik szerepet. Ezután a mágneskapcsolót már csak a tartótekercs (4.3 ábra 3) tartja a vasmag-visszaállító rugó (4.3 ábra 10) ellenében zárt állapotban. Ha kapcsolásnál foghomlok-foghomloknak ütközik, akkor a kiemelıvilla elıfeszíti a kihajtótengelyen lévı kúpos tekercsrugót (4.1. ábra), ami a forgórész továbbfordulásakor belöki a hajtó fogaskereket a lendítıkerék fogaskoszorújába. Az érintkezıhíd tengelyén lévı érintkezı rugónak (4.3 ábra 5) kettıs feladata van. Egyrészt biztosítja a fogak ütközésekor a vasmag további elmozdulását és így a kúpos tekercsrugó elıfeszítését. Másrészt biztosítja a mozgó érintkezı minél jobb felületi felfekvését. A tartótekercs funkciója a hajtó-fogaskerék pozíciójának fenntartása.
4.2 Elektrodinamikai modell Az elektrodinamikai modell megalkotásával és vizsgálatával a cél a hagyományos kapcsolómechanizmus tulajdonságainak feltárása. A modell elhanyagolja a rugók és a kiemelıvilla tömegét, a vasmag alakjából adódó szórt fluxus-, a légrés-, súrlódási-, elektromos-, és mágneses veszteségeket, valamint a vasmag permeabilitásának változását. Az akkumulátor feszültsége állandónak tekintethetı. Továbbá a modell feltételezi, hogy a hajtó-fogaskerék fogai, a lendítıkerék fogaskoszorújának fogaihoz ütközésmentesen és folyamatosan kapcsolódnak össze. A 4.1 fejezet szerkezeti elemzésébıl következik, hogy a kapcsolómechanizmus mőködése egymástól négy, jól elkülöníthetı szakaszra bontható: Az 1. szakasz, a holtjáték kiküszöbölésének szakasza (h1), azaz a vasmag axiális irányban ugyan elmozdul, de a hajtó-fogaskerékkel egybeépített szabadonfutó még nem (4.5. ábra). A 2. szakaszban a vasmag (4.3 ábra 10) az érintkezı híd tengelyéig (4.3 ábra 9) mozdul el. A 3. szakaszban a mozgó érintkezı nyugalmi helyzetébıl az álló érintkezı elérésig mozdul el. A 4. szakaszban mőködésbe lép az érintkezı rugó (4.3 ábra 5) amely a mozgó érintkezı és álló érintkezık a minél jobb felületi érintkezését biztosítja. 4.5. ábra jelölései alapján az elektrodinamikai modell egyenletei a másodfajú Lagrange egyenlet segítségével állíthatók elı [60], [81]:
45
d ∂L ∂L = Pk , ahol n = 1, 2, 3 − dt ∂qɺ n ∂q n ɺ = i; qɺ = xɺ ; qɺ = xɺ . és q1 = Q1 ; q 2 = x1 ; q 3 = x 2 qɺ 1 = Q 2 1 3 2
(4.1)
Az L Lagrange függvény a T* kiegészítı kinetikai, a Wm* kiegészítı mágneses energiával és a Vpot potenciális energiával fejezhetı ki:
L = T* + Wm* − Vpot .
(4.2)
4.5. ábra: A kapcsolómechanizmus elektromechanikai modellje A kiegészítı kinetikus energia az elızı 4.1 fejezetben leírt mőködés alapján az alábbi feltételekkel írható fel: 1 2 ha 0 < x1 < h1 , 2 m1 xɺ 1 , * T = xɺ 2 1 1 1 2 m1 xɺ 12 + m1 xɺ 22 + J 2 ( ϕɺ 2 ) , ha h1 ≤ x1 , ahol ϕɺ 2 = . 2 2 r0 tg ( 90° − β ) 2
(4.3)
Lineáris esetben a vasmagos tekercsek ideálisnak tekinthetık, ezért a vasmag permeabilitása állandónak, az induktivitása az áramerısségtıl függetlennek vehetı. A kiegészítı mágneses energia a 4.6. ábra alapján: 1 L12 ( x )i 2 , ha 0 < x1 < l3 , 2 Wm* ( x ) = . 1 2 L ( x )i , ha x ≥ l . 1 3 2 2
(4.4)
46
b.
a.
4.6. ábra: Kiegészítı mágneses energia értelmezése lineáris (a.) és nemlineáris esetben (b.) Az értekezés a nemlineáris modellt az Ls ún. szekáns induktivitással írja le. Az 1.5. ábra a (1.3) összefüggés alapján a tekercs fluxusa:
Ψ ( i, x ) = Ls ( i, x )i
(4.5)
alakban fejezhetı ki. Az (4.5) kifejezést behelyettesítve a kiegészítı mágneses energiára vonatkozó összefüggésbe a (4.6) adódik: i ∫ Ls12 (i, x1 )idi, ha 0 < x1 < l3 , i 0 Wm* = ∫ Ψ di = i 0 L (i, x )idi, ha x ≥ l . 1 1 3 ∫ s2 0
(4.6)
Az áramkör nem tartalmaz kondenzátort, ezért elektromos energia nem halmozódik fel. A vasmag behúzásakor az elektromágnesbe épített rugók fokozatosan lépnek mőködésbe, ezért az eredı rugómerevség szakaszonként lineárisan változik:
ha 0 < x1 < l1 , k1 , k + k , ha l1 ≤ x1 < l2 , 3 1 k a ( x1 ) = k 2 + k 3 + k1 , ha l2 ≤ x1 < l3 , k ∞ , ha x1 ≥ l3 .
,
(4.7)
ahol k1 a vasmag-visszaállító rugó (4.3 ábra 10), k2 az érintkezı rugó (4.3 ábra 5), k3 a mozgó érintkezıhöz szerelt (4.3 ábrán nem számozott) rugó, k∞ a vasmag felütközésének merevsége A hajtó fogaskerékhez kapcsolódó kúpos tekercsrugó merevsége (kb) ugyancsak lineárisnak tekinthetı:
kb , kb ( x2 ) = k∞ ,
ha 0 < x1 < h 2 , ha x 2 ≥ h 2 .
.
(4.8)
A vasmag és a fogaskerék felütközését k ∞ merev rugó veszi figyelembe. Az eredı rugó karakterisztikák a vasmag helyzetének függvényében a következı alakban írhatók fel:
47
Fc Fc Fca ( x1 ) = Fc F c
= k1 x1 + F1 ,
ha 0 < x1 < l1 ,
= k1 x1 + k 3 ( x1 − l1 ) + F1 + F3 ,
ha l1 ≤ x1 < l 2 ,
(4.9)
= k1 x1 + k 3 ( x1 − l1 ) + k 2 ( x1 − l 2 ) + F1 + F3 + F2 , ha l2 ≤ x1 < l3 , = k1 x1 + k 3 ( x1 − l1 ) + k 2 ( x1 − l 2 ) + k ∞ ( x1 − l3 ) + F1 + F3 + F2 , ha l3 ≥ x1. k b x 2 + F4 , Fcb ( x 2 ) = k ∞ ( x 2 − h 2 ) ,
ha 0 < x 2 < h 2 ,
(4.10)
ha x 2 ≥ h 2 .
A (4.9)-(4.10)- ben az F1, F2, F3, F4 jelölik az egyes rugók elıfeszítését. A (4.7) összefüggés alapján a gyártó telephelyén méréssel is meghatározásra került az elektromágnesbe épített rugók eredı rugóerı-karakterisztikája. A mért és számított eredményeket a 4.7. ábra mutatja, amelyen az egyes elmozdulási szakaszok (h1, l1, l2, l3) is jelöltek. A 4.8. ábra látható a hajtófogaskerékhez kapcsolódó rugó elméleti és a modellezéshez alkalmazott erı-elmozdulás függvénye, ahol az elıfeszítés hatását egy nagy merevségő rugó írja le, amelynek mőködési tartománya δx2=10-4 m, és ezen túl a tényleges rugómerevség érvényes. 160
l3
140 120 100
Fca(x1) [N]
F2
l2
80
l1 60
F3
h1 40
elméleti eredmény mérési eredmény
20 0
F1 0
2
4
6
8
10
12
x1 [mm]
4.7. ábra: A mért és a számított rugóerı karakterisztika
48
110 100
alkalmazott modell elméleti modell
90
Fcb(x2) [N]
80 70 60 50
h2
40 30
δx
20
2
10 0
0
2
4
6
8
10
12
14
x2 [mm] 4.8. ábra: A hajtó-fogaskerékhez kapcsolódó rugó karakterisztikája A (4.7)-(4.10) kifejezések alapján a potenciális energia a következıképpen írható:
Vpot
1 2 2 k a ( x1 ) x1 , ha 0 < x1 < h1 , 2 1 1 x1 2 k a ( x1 ) x1 + k b x 2 − r2 , ha h1 ≤ x1 < l3 és x 2 < h 2 , 2 r1 2 2 1 x1 1 2 1 2 = k a ( x1 ) x1 + k b x 2 − r2 + k ∞ ( x 2 − h 2 ) , ha h1 ≤ x1 < l3 és x 2 ≥ h 2 , 2 r1 2 2 2 1 k ( x ) x 2 + 1 k ( x − l ) 2 + 1 k x − x1 r + 1 k ( x − h ) 2 , b 2 2 2 2 ∞ 2 a 1 1 2 ∞ 1 3 2 r1 2 ha x1 ≥ l3 és x 2 ≥ h 2 .
(4.11)
A nem konzervatív erık virtuális munkája:
49
− F1 δx1 − R e iδQ + u 0 δQ − b1 xɺ 1 δx1 + Fc1 ( x1 ) δx1 , ha 0 < x1 < h1 , xɺ 1 r2 − F1 δx1 − R e iδQ + u 0δQ − b1 xɺ 1 δx1 − b 2 xɺ 2 − r r2 δx 2 − r δx1 , 1 1 ha h1 ≤ x1 < l1 , xɺ r . δWnc = − ( F1 + F2 )δx1 − R e iδQ + u 0δQ − b1 xɺ 1 δx1 − b 2 xɺ 2 − 1 r2 δx 2 − 2 δx1 , r1 r1 ha l ≤ x < l , 1 1 2 xɺ 1 r2 − ( F1 + F2 + F3 )δx1 − R e iδQ + u 0 δQ − b1 xɺ 1 δx1 − b 2 xɺ 2 − r2 δx 2 − δx1 , r1 r1 ha l ≤ x < l . 2 1 3
(4.12)
ahol R1 R 2 , ha 0 ≤ x1 < l3 , R B + R1 + R 2 Re = R + R , ha x ≥ l . 2 1 3 B
,
(4.13)
és
0, ha x1 > 0, Fc1 ( x1 ) = . F1 , ha x1 ≤ 0.
(4.14)
A (4.13) összefüggés jelölésben az RB az akkumulátor belsı ellenállását, R1 a behúzó tekercs ellenállását és R2 a tartó tekercs ellenállását. jelenti. Behelyettesítve (4.3)-(4.6) és (4.11)-et a (4.2)-be, majd (4.1)-be, és tekintettel a (4.12)-re, a következı differenciál-egyenletrendszert kapjuk:
50
m1 ɺɺ x1 + b1 xɺ 1 + k a ( x1 ) x1 − d ∂Wm* + R e i = u0 , dt ∂i
∂Wm* = −F1 , ∂x1 , ha 0 < x1 < h1 ,
r 2 r2 r2 r2 ∂Wm* 2 m1 ɺɺ x1 + b1 xɺ 1 + b 2 xɺ 2 − xɺ 1 + k a ( x1 ) x1 + k b x1 − x 2 − = −Fi , r1 r1 r1 r1 ∂x1 J2 r2 r2 m2 + ɺɺ ɺ ɺ x + b x − x + − = k x x 0, , 1 b 2 1 2 2 2 2 r r 1 1 ( r0 tg ( 90° − β ) ) d ∂Wm* + R e i = u0 , dt ∂i h1 ≤ x1 < l3 és x 2 < h 2 , ahol F1 , Fi = F1 + F3 , F + F + F , 1 3 2
ha
(4.15a)
ha h1 ≤ x1 < l1 , ha l1 ≤ x1 < l2 , ha l 2 ≤ x1 < l3 .
r 2 r2 r2 r ∂Wm* = −Fi , m1 ɺɺ x1 + b1 xɺ 1 + b 2 xɺ 2 − xɺ 1 + k a ( x1 ) x1 + k b x1 2 − x 2 2 − r1 r1 r r1 ∂x1 1 J2 r2 r2 m2 + ɺɺ ɺ ɺ + − + − + − = x b x x k x x k x h 0, ( ) , ha ∞ 2 2 2 2 1 b 2 1 2 2 r r ° − β r tg 90 1 1 ( ) (0 ) d ∂Wm* + Re i = u0 , dt ∂i h1 ≤ x1 < l3 és x 2 ≥ h 2 ,
(4.15b)
r 2 r2 r2 r ∂Wm* m1 ɺɺ x1 + b1 xɺ 1 + b 2 xɺ 2 − xɺ 1 + k a ( x1 ) x1 + k b x1 2 − x 2 2 + k ∞ ( x1 − l3 ) − = −Fi , r1 r1 r r1 ∂x1 1 J2 r2 r2 m2 + ɺɺ ɺ ɺ x + b x − x + k x − x + k x − h = 0, ( ) , ha ∞ 2 2 2 2 1 b 2 1 2 2 r r r tg 90 ° − β 1 1 )) (0 ( d ∂Wm* + R e i = u0 , dt ∂i x1 ≥ l3 és x 2 ≥ h 2 . A (4.15) egyenletrendszerben a kiegészítı mágneses energiára vonatkozó összefüggések a következı alakban fejezhetık ki:
51
i i ∂Ls ( i, x1 ) ∂ 2 Ls ( i, x1 ) i 2 ∂Wm* 1 ∂Ls ( i, x1 ) 2 = idi = i −∫ di, ∂x1 ∫0 ∂x1 2 ∂x1 ∂x1 ∂ i 2 0 0 i
d ∂Wm* di ∂Ls ( i, x1 ) di ∂Ls ( i, x1 ) dx1 i + i , ahol = Ls ( i, x1 ) + dt ∂i dt ∂i dt ∂x1 dt Ls12 ( i, x1 ) , Ls ( i, x1 ) = Ls2 ( i, x1 ) ,
(4.16)
ha 0 < x1 < l 3 , ha
x1 ≥ l 3 .
A (4.16) kifejezéseket visszahelyettesítve a (4.15a)-(4.15b)-be elıáll a modell végsı differenciál-egyenletrendszere. Az egyenletrendszer könnyebb kezelhetıségének érdekében a (4.16)-ban szereplı vegyes parciális derivált és az áram (i) szerinti parciális derivált elhanyagolható. Az egyenletekben szereplı paraméterek értékeit a 4.4 fejezet 4.2. táblázata tartalmazza. Az Ls(i, x1) indukciófüggvény méréssel történı meghatározását a következı fejezet ismerteti.
4.3 Induktivitás meghatározása méréssel Ez a fejezet egy elektromechanikai mérési módszert mutat be. A kiegészítı mágneses energia felhasználásával meghatározható az elektromágneses erı, amely az áramerısség és a vasmag pozíciójának a függvénye. A mérés elméleti modellje a szekáns induktivitással fogalmazható meg. A mért elektromágneses erı és a megfelelı áramerısségek ismeretében az induktivitás hely szerinti parciális deriváltja elıáll, amely az áram vonatkozásában harmadfokú, a hely vonatkozásában ötödfokú polinommal közelítethetı. A derivált függvénybıl integrálással adódik az indukciófüggvényt.
4.3.1. Elméleti megfontolások Az áramerısség és az elektromágneses erı az alábbi függvénykapcsolattal írható fel, [26], [42], [48], [94] irodalmak szerint:
i = i ( x, Ψ )
F = F ( x, Ψ ) .
(4.18)
A 4.6. ábra szerint a kiegészítı mágneses energia tekercsek összfluxusának áramerısség szerinti integráljával a (4.19) alakban írható fel: i
W ( i, x ) = ∫ Ψ ( i, x ) di . * m
(4.19)
0
Az elektromágneses erıt a következı összefüggés adja: F=
∂Wm* ( i, x ) ∂x
.
(4.20)
A tekercs fluxusa a (4.5) egyenlet szerint írható fel:
Ψ ( i, x ) = Ls12 ( i, x )i .
(4.21)
Visszahelyettesítve (4.21)-et (4.19)-be, majd (4.20)-ba az elektromágneses erı a következı:
52
i
F ( i, x ) = ∫ 0
∂Ls12 ( i, x ) ∂x
idi .
(4.22)
Az (4.22) egyenlet mindkét oldalát i szerint deriválva, majd az egyenletet rendezve az induktivitás hely szerinti deriváltja meghatározható:
∂Ls12 ( i, x ) ∂ F ( i, x ) = . ∂x ∂i i
(4.23)
A mért áramerısség és elektromágneses erı ismeretében a (4.23) egyenlet bal oldala elıállítható.
4.3.2. A mérés végrehajtása, mérési eredmények, kiértékelés A mérés elméleti leírása alapján került sor a mérések elvégzése. A kapott eredmények összevethetık egy rezonancia módszeren alapuló méréssel. A statikus mérés során elıször mindkét tekercs gerjesztést kapott. Ezután behúzó tekercs rövidre zárásával a tartó tekercs vizsgálata történt meg. A vizsgálatok rugómechanizmus nélkül folytak le. A mérés áramköri rajzát a 4.9. ábra, a mérés összeállítás fényképét a 4.10. ábra szemlélteti. Az alkalmazott eszközöket a 4.1. táblázat foglalja össze. A mérési sorozatok végrehajtásakor, különbözı áramerısségeknél, erımérı cella szolgáltatta az elektromágneses erı értékeit a vasmag ugyanazon pozíciójában. A 4.9. ábra látható, hogy a K kapcsoló zárásával, DC tápegység (5) mőködteti az idızítıt (4b). Az idızítı (4b) modellezi a valóságos kapcsolási folyamatot. A kapcsolási idı 0,1 sec. Az idızítı (4b) reléje vezérelte a mágneskapcsolót (4a), amelynek áramforrása egy AC tápegység (1) volt. A mágneskapcsoló funkciója a nagy áramerısségek kapcsolása. Az indító akkumulátor (6) mőködtette a vizsgált elektromágnest (8b), amelynek vasmagja egy erımérı cellához (8a) kapcsolódott. A vasmag pozícióját lézeres távolságmérı (2) határozta meg. Az elektromágneses erı mérése a vasmag diszkrét pozícióiban, különbözı áramszinteknél történt. A vizsgálat kiinduló helyzetében a vasmag teljesen behúzott állapotú. Ezután a vasmag pozícionálása kb. 0,5 mm-es lépésenként, az elektromágnesbıl kifelé haladva történt. Az egyes áramszinteket meglelı nagyságú ellenállás (R1…Rj) beiktatása biztosította. Az áramerısséget árammérı szenzor (9) mérte, az elektromágneses erıt és az áramerıséget az adatgyőjtı SPIDER (3) regisztrálta. A mért elektromágneses erı függvényét a 4.11. ábra mutatja.
53
R12
Ls12
Rj
F
x
2
6 8a, 8b
RB R1 A
9
4a 5
K 1
4b
3
7
4.9. ábra: A mérés villamos áramköri rajza
Nr. Megnevezés
Típus
1
AC tápegység
EA-STT 2000 B-4.5A 0-260 V AC
2
Lézer interferométer
Renishaw XL-80
3
Mérés adatgyújtı
Spider 8 4,8 kHz/DC
4a
Mágneskapcsoló
VS440-22 220-230 V AC (50-60 Hz)
4b
Idızítı
CRM-91H AC/DC 0-240 V (AC 5060 Hz)
5
DC tápegység
Matrix MPS-3005L-3 0-30 V
6
Akkumulátor
12V 544 402 041 440A (EN) 44Ah
7
Laptop
Catman 4.0, Renishaw linear measurement software
8a
Erımérı cellával felszerelt vasmag pozícionáló
GEFRAN TU-K1C (0-100 kg)
8b
A vizsgált elektromágnes
BOSCH adat
4.1. táblázat: Alkalmazott mérıeszközök
54
1
2
3
4a, 4b
5
6
7
8a, 8b
4.10. ábra: A mérés összeállítás fényképe
400
F(i,x) [N]
300 200 100 0 30 20 10 x [mm]
0 0
10
20
30
40
i [A]
4.11. ábra: A mért elektromágneses erı függvénye Négy különbözı áramszintnél, amelyek i1=5 A, i2=10 A, i3=25 A, i4=32 A, az alábbi approximációs függvények írhatók fel:
55
F ( i, x ) i ≅ f1 ( x ) = a1 ( x ) + a 2 ( x )i1 + a 3 ( x )i12 + a 4 ( x )i13 , 1
F ( i, x ) i ≅ f 2 ( x ) = a1 ( x ) + a 2 ( x )i 2 + a 3 ( x )i 22 + a 4 ( x )i32 , 2
F ( i, x ) i ≅ f 3 ( x ) = a1 ( x ) + a 2 ( x )i3 + a 3 ( x )i32 + a 4 ( x )i33 ,
(4.24)
3
F ( i, x ) i ≅ f 4 ( x ) = a1 ( x ) + a 2 ( x )i 4 + a 3 ( x )i 42 + a 4 ( x )i34 , 4
ahol az a1(x), a2(x), a3(x), a4(x) ismeretlen együtthatók. Az f1(x), f2(x), f3(x), f4(x) függvényeket ötödfokú polinomok közelítik:
f n ( x ) = p1n x 5 + p 2n x 4 + p3n x 3 + p 4n x 2 + p5n x + p6n , (n = 1,..., 4). .
(4.25
Az a1(x), a2(x), a3(x), a4(x) együtthatók az alábbi mátrix egyenletbıl állíthatók elı: a1 ( x ) 1 a 2 ( x ) 1 = a x ( ) 3 1 a ( x ) 1 4
i1
i12
i2
i 22
i3
i32
i4
i 24
i13 i32 i33 i34
−1
f1 ( x ) f 2 ( x ) . f x ( ) 3 f ( x ) 4
(4.26)
A (4.23) szerinti derivált indukció közelítı függvénye: ∂Ls12 ( i, x ) ∂x
≅
(
)
1 a 2 ( x ) + 2a 3 ( x )i + 3a 4 ( x )i 2 , i
(4.27)
amelyet a vizsgált tartományban a 4.12. ábra szemléltet. Az indukciófüggvény (4.27)-bıl integrálással állítható elı: x
Ls12 ( i, x ) = ∫ 0
∂Ls ( i, ξ ) ∂ξ
dξ .
(4.28)
Az indukció a függvényközelítés alapján: Ls12 ( i, x ) =
(
)
1 b 2 ( x ) + 2b3 ( x )i + 3b 4 ( x )i 2 + L0 , i
(4.29)
ahol x
∫
b n (x) = a n ( ξ )dξ,
( n = 1,..., 4 ) . ,
(4.30)
0
A (4.29) egyenletben a vasmag nélküli tekercs induktivitása L0=0,6949 mH, amely vasmag teljesen kihúzott pozíciójában mérhetı. A konstansok meghatározása alapján a kapott induktancia függvényt a 4.13. ábra mutatja.
56
4.12. ábra: A közelítı parciális derivált indukciófüggvény
4.13. ábra: Integrálással kapott indukciófüggvény Az utolsó mőködési szakaszban ( l2 ≤ x1 < l3 ) már csak a tartó tekercs mőködik. A behúzó tekercs rövidre zárásával a mérés a munkapont közelében (i=32 A áramerısségnél) történt. A mért eredményeket kiértékelve az alábbi függvényközelítés tehetı meg:
Ls2 ( i = 32 A, x ) = p1 x 2 + p2 x + p3 ,
(4.31)
ahol az együtthatók értékei a következık: p1=1,686 mH/mm2, p2= -32,34 mH/mm, p3=153,4 mH.
57
4.4 Mérési és szimulációs eredmények A számított közelítı függvényeket felhasználva a kapott (4.15) nemlineáris differenciál egyenletrendszer Runge-Kutta módszerrel Matlab környezetben megoldható. A szimulációs eredményeket a mérések hitelesítették. A méréshez a megépített kísérleti berendezés (4.10 ábra) szolgált alapul, amelynél a mért jellemzık a kapcsolómechanizmus áramfelvétele, a vasmag és a hajtó-fogaskerék elmozdulása volt. A modell szimulációs paramétereit a 4.2. táblázat tartalmazza.
Megnevezés Az akkumulátor cellafeszültsége
Jelölés Érték u0 12
Mértékegység [V]
Az akkumulátor belsı ellenállása
RB
0,067
[Ω]
A behúzótekercs ellenállása
R1
0,283
[Ω]
A tartótekercs ellenállása
R2
1,17
[Ω]
A vasmag tömege
m1
0,0989
[kg]
A hajtó-fogaskerék tömege
m2
0,3225
[kg]
A hajtó fogaskerék tehetetlenségi nyomatéka
J2
4, 94 ⋅10−5
[kgm2]
Az evolvens profilú bordás tengely osztókör sugara
r0
0,008
[m]
Az evolvens profilú bordás tengely fogferdeségi szöge β
25
[°]
A kiemelı villa karáttétele
r2\r1
1,5709
[-]
A vasmag visszaállító rugó merevsége
k1
3600
[N/m]
Az érintkezıhíd tengelyére szerelt rugó merevsége
k2
6460
[N/m]
A mozgó érintkezıhöz kapcsolt rugó merevsége
k3
2600
[N/m]
A hajtó-fogaskerékhez kapcsolt rugó merevsége
kb
4200
A felütközés rugómerevsége
k∞
1,938 ⋅10
A vasmag csillapítási tényezıje
b1
15
[Ns/m]
A hajtó-fogaskerék csillapítási tényezıje
b2
15
[Ns/m]
Elıfeszítı erık
F1, F2
21, 41
[N]
F3, F4
14,42
[N]
A holtjáték hossza
h1
0,0042
[m]
Elsı elmozdulási szakasz
l1
0,00698
[m]
Második elmozdulási szakasz
l2
0,01043
[m]
Harmadik elmozdulási szakasz
l3
0,01146
[m]
A hajtó-fogaskerék teljes elmozdulása
h2
0,0145
[m]
[N/m] 6
[N/m]
4.2. táblázat: Szimuláció bemeneti paraméterei A mért és számított áram-idı függvényt a 4.14. ábra mutatja. A függvények jellege hasonló, az eltérés a két görbe között az elsı lokális maximumnál kevesebb, mint 1 A, a második lokális maximumnál pedig 4 A. Az eltérés egyrészt a mérési hibákból, másrészt a modellezéskor végrehajtott közelítésekbıl adódik.
58
A vasmag, és a hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvényét a 4.15. ábra és a 4.16. ábra szemlélteti. Megállapítható, hogy a nemlineáris modell mechanikai egyenletei mérnöki szempontból kielégítı pontosságúak. Az átlagos hibát a (4.32) összefüggés definiálja: T
∫ f ( t ) − f ( t ) dt s
e=
m
0 T
⋅100 % ,
(4.32)
∫ f ( t )dt m
0
ahol T a vizsgált idıtartomány, az fs a szimulációs függvény, az fm a mérési eredmény függvénye az áramerısség, a vasmag és a hajtó fogaskerék elmozdulásának vonatkozásában. A hibaszámítás eredményeit a 4.3. táblázat tartalmazza. 40 szimulációs eredmény mérési eredmény
35 30
i [A]
25 20 15 10 5 0
0
0.005
0.01
0.015
t [s]
0.02
0.025
0.03
4.14. ábra: A kapcsolómechanizmus áram-idı lefutása 0.015
szimulációs eredmény mérési eredmény
x1 [m]
0.01
0.005
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
t [s]
4.15. ábra: A vasmag elmozdulás-idı függvénye
59
0.016 0.014 0.012
szimulációs eredmény mérési eredmény
x2 [m]
0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
t [s]
4.16. ábra: A hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvénye
Függvény megnevezése
T [s]
e [%]
Áramerısség függvény
0,02289 10,3
A vasmag elmozdulás függvénye
0,0289
A hajtó-fogaskerék elmozdulás függvénye
0,02879 8,8
3,5
4.3. táblázat: Átlagos hiba értékei Az eredményekbıl megállapítható, hogy a kapcsolómechanizmus mőködési ideje körülbelül 0,03 sec. A 4. fejezetben kidolgozásra került az indítómotor hagyományos kapcsolómechanizmusának elektrodinamikai modellje. A modellt kapcsolt, nemlineáris differenciálegyenlet írja le. A nemlinearitás egyrészt az induktivitás áramtól való függésétıl, másrészt a mechanikai modellben rugómerevség szakaszonként lépcsıs függvényébıl és a mozgó alkatrészek felütközésébıl következik. Mérési módszer került kidolgozásra az induktivitás és a vasmag helyzete szerinti deriváltnak áramerısségtıl függı meghatározására. A módszer elınye az, hogy az induktivitások deriváltja közvetlenül áll elı és azutáni integrálás szolgáltatja az induktivitás függvényét a modellhez.
60
5. ÚJ KAPCSOLÓMECHANIZMUS Ez a fejezet egy új kapcsolómechanizmus részletes kidolgozását és vizsgálatát ismerteti, felhasználva az elızı fejezet kapcsolómechanizmusának szimulációs eredményeit. Az új konstrukció lényege az, hogy a hajtó fogaskerék axiális mozgásáról vezérpálya gondoskodik. A fıtengelyt hajt (STC) és a fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel (STE) részfeladatokat a konstrukció nem veszi figyelembe. A kidolgozás a [73] által ismertetett folyamattervet alkalmazza, amelyet szerszámgépek mechatronikai részegységeinek tervezésére dolgoztak ki, és amelyet az 5.1. ábra szemléltet. A kiinduló tervezési követelményeket az 5.1. táblázat tartalmazza. Célszerőnek mutatkozik, hogy az új kapcsolómechanizmus egytengelyő a villamos motor tengelyével azért, hogy minél kisebb legyen az axiális méretnövekedés és minél rövidebb elektromos vezetékeket lehessen alkalmazni. A tervezés elsı (I.) fázisában a mozgásátalakító szerkezetek változatai szolgáltak a vizsgálat alapjául. A mozgásokat megvalósító szerkezeteknél, mechanizmusoknál elemi mozgások (egyenes vonalú haladó és forgó) megvalósítása célszerő, ugyanis bonyolultabb mozgások is ezekbıl származtathatók. A mozgásátalakítók 4 nagy csoportra bonthatók az 5.2. ábra szerint. A haladó-haladó (H-H mozgásátalakítók csoportjába tartozik pl. a 4 fejezetben vizsgált szerkezet is. A megoldás kidolgozásához és a megfelelı változat kiválasztásához a [24], [127] munkák szolgálnak alapul, amelyek több mozgásátalakító mechanizmust ismertetnek. Az F-F és H-F típusú mozgásátalakítók rögtön el is vethetık, mert nem felelnek meg a tervezési követelményeknek, így a vizsgálatok a H-H és F-H típusú mozgásátalakítókra korlátozódnak. A 6. sz. melléklet összefoglalja a leginkább alkalmazott H-H és F-H típusú mozgásátalakítókat. Ez alapján a típusok az alábbiak szerint csoportosíthatók:
A hajtó és hajtott tagok tengelyvonalának egymáshoz viszonyított helyzete szerint lehet párhuzamos (p), merıleges (m) és ferde (f). A hajtó és a hajtott tag közötti függvénykapcsolat szerint lehet lineáris (l) és nemlineáris (nl).
61
5.1. ábra: Az új kapcsolómechanizmus kialakításának folyamatterve és lépései
5.2. ábra: Mozgásátalakítók alaptípusai
62
1. Tervezési követelmények és megoldások
Funkcionális követelmények
Fogaskerék-kapcsolat létrehozása és megszüntetése (13,5 mm axiális elmozdulás), megfelelı erı és nyomaték létrehozása, új technikai megoldás a hajtáslánc megváltozatása nélkül
Általános követelmények
Nagyszámú kapcsolás (>250 000), rövid kapcsolási idı (<30 ms), építıszekrény elv, moduláris kialakítás
Kiemelt követelmények
Meghibásodás esetén gyors javítási, szerelési lehetıség vagy cserélhetıség, egyszerő kialakítás, kevés szerkezeti elem, szélsıséges idıjárás esetén is, mőködıképesség, megbízhatóság
Minden gépre jellemzı követelmények
Kis helyszükséglet és súly, nagy élettartam gyártási, iparjogi, egyéb (pl. szervízelési) követelmények
5.1. táblázat: Axiális kapcsolatot biztosít részfunkció követelményjegyzéke A 6.sz. melléklet csoportosítása szerint az egyes típusokat kódok azonosítják. A mozgásátalakító zárójeles kifejezésének alsó indexébe a tengelyek helyzetének, felsı indexébe a létrehozható mozgásnak a jele kerül. Egyenes vonalú haladó mozgást általában a forgó mozgású kinematikai lánc végén forgó/haladó mozgás átalakítókkal hoznak létre, mert a forgó mozgással magas mozgásparaméterek biztosíthatók. Az értekezés az egytengelyő elrendezés miatt csak a párhuzamos tengelyő megoldásokat vizsgálja a továbbiakban. A választott mozgásátalakító típusa: ( F − H )p . nl
Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlatát az 5.3. ábra szemlélteti. Részei a következık: M motor (1), forgó-haladó mozgásátalakító (2), hajtó fogaskerék (3). A forgó-haladó mozgásátalakítást követıgörgıs, vezérpályás mechanizmussal valósítja meg.
5.3. ábra: Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlata
63
A vezérpályás mechanizmusok jellemzésére leggyakrabban a mozgás diagramot alkalmazzák, amelyben a kapcsolódó tag vagy hajtott elem mozgásfüggvényét ábrázolják, általában a mechanizmus szögelfordulásának függvényében. Mozgásfeladaton a munkát végzı elem idı, vagy valamilyen mozgásjellemzı, mint pl. a hajtótengely elfordulási szöge függvényében, végzett mozgásra vonatkozó elıírásokat értik. A kapcsolódó tag mozgása általában valamilyen matematikai függvénnyel leírható, ezért nagyon fontos, hogy pontos információ legyen a mechanizmus elmozdulás- sebesség- és gyorsulás viszonyairól. A kapcsolódó tag mozgása egyszerő polinom, trigonometrikus, vagy spline függvények segítségével írható le. A hajtó tagról a hajtott tagra átvitt mozgás az alábbi átviteli függvénnyel fejezhetı ki: s ( t ) = f (Θ ( t )) .
(5.1)
Az (5.1) összefüggés idı szerinti differenciálásával a kihajtó tag sebességét:
ɺ (t) . v ( t ) = sɺ ( t ) = f ′ ( Θ )Θ
(5.2)
Az (5.2) összefüggés további differenciálásával a gyorsulás:
ɺ 2 ( t ) + f ′ ( Θ )Θ ɺɺ ( t ) . a ( t ) = ɺɺs ( t ) = f ′′ ( Θ )Θ
(5.3)
Az (5.3) további differenciálásával meghatározható az ütés:
ɺ 3 ( t ) + 3f ′′ ( Θ ) Θ ɺ (t)Θ ɺɺ ( t ) + f ′ ( Θ )ɺɺɺ j ( t ) = ɺɺɺ s ( t ) = f ′′′ ( Θ )Θ Θ(t) .
(5.4)
A bütykös mechanizmus átviteli függvénye rendszerint több szakaszra osztható: elıre mozgó (Rise), visszamozgó (Return vagy Fall) és nyugalmi szakaszra (Dwell). A nyugalmi szakaszban a hajtott tag nyugalomban van. Az átviteli részfüggvények összessége az összátviteli függvényt adja. A csatlakozási pontokban a mozgásfüggvény törésmentes és folytonos görbülető. Az 5.4. ábra az összátviteli függvényeket elıre, illetve elıre és hátra mozgásnál mutatja, ahol
DRD DRRD szakasz)
Dwell-Rise-Dwell (Nyugalmi-Elıre mozgó-Nyugalmi szakasz) Dwell-Rise-Return-Dwell (Nyugalmi-Elıre mozgó-Visszamozgó-Nyugalmi 14
14
Dwell 12
12
Rise 10
10
8
s [mm]
s [mm]
8
Rise 6
4
6
4
2
2
Dwell
Dwell 0
Return
0
Dwell pi/2
pi
3pi/2
θ [rad]
2pi
0
0
pi/2
pi
3pi/2
2pi
θ [rad]
5.4. ábra: DRD és DRRD mozgásfüggvény
64
A mechanizmusok kinematikai vizsgálatánál gyakran a mozgástörvény normált alakjait alkalmazzák, azaz a kihajtó tag mindenkori s hajtójellemzıje az smax=s legnagyobb értékre vonatkoztatható, azaz dimenziótlanítják. Alakja: f(s/smax)=f(z). A függvény kielégíti az alábbi határfeltételeket:
f ( 0 ) = 0 és f (1) = 1 .
(5.5)
Szakaszos mozgásnál a csatlakozó pontokban a következı peremfeltételeknek kell teljesülni:
f ′ ( 0 ) = f ′ (1) = 0 .
(5.6)
A normált átviteli függvény akkor szimmetrikus, ha teljesül a következı feltétel:
f ( z ) = 1 − f (1 − z) ,
(5.7)
vagy a z szerinti differenciálásból adódó egyenletek valamelyike:
f ′ ( z ) = f ′(1 − z), f ′′ ( z ) = −f ′′ (1 − z ) , . f ′′′ ( z ) = f ′′′ (1 − z ) .
(5.8a) (5.8b) (5.8c)
A leggyakrabban alkalmazott normált átviteli függvényeket és deriváltjaikat az 5.5. ábra szemlélteti.
5.5. ábra: A leggyakrabban alkalmazott átviteli függvények és deriváltjaik
65
A kiválasztott mechanizmusok axiális tolórudas mechanizmusok, amelyeknek szimmetrikus mozgása kétféle lehet: DRD vagy DRRD (5.4. ábra) A polinom és a trigonometrikus mozgásfüggvények alapján 4 megoldás variáció került kiválasztásra, amelyeket az 5.2. táblázat tartalmazza. A nyitott és zárt vezérpálya görbét az 5.6. ábra szemlélteti.
Nr.
Mozgásfeladat
Mozgásfüggvény
1. 2. 3. 4.
DRD DRD DRRD DRRD
Polinom Trigonometrikus Polinom Trigonometrikus
A A teljes A motor vezérpálya elfordulási elfordulási görbe szög (γ) szöge (Θ) alakja 180° +180° -180° nyitott 180° +180° -180° nyitott 360° +180° +180° zárt 360° +180° +180° zárt
5.2. táblázat: Lehetséges mozgás változatok
16 14
16
12
14
10
12 10
8
8
6 6
4
4
2
2
0
0
30 20
-2 -25
-2 -40 -20 0 20 40
-5
0
5
10
15
20
10 0 -10 -20
-15
-10
25
-5
0
-20 5
10
15
20
25
-30
5.6. ábra: Nyitott és zárt pályagörbék A teljes elfordulási szög határozza meg a mechanizmust hajtó motor elfordulási szögét. Ha pl. a teljes elfordulási szög 180°, akkor a mozgásfüggvényt megvalósító testet elfordító motor 180°-os elfordulása a fogaskerék kapcsolást létrehozza. A motor ellentétes irányú, 180°-os elfordulása a kapcsolást megszünteti. Az 5.2. táblázat szerinti megoldások közül az 1. sorszámú került kivitelezésre Az ehhez tartozó normált átviteli függvény, amely egy ötödfokú Hermite polinom: 4 5 Θ 3 Θ Θ f ( Θ ) = 10 − 15 + 6 . γ γ γ
(5.9)
Az elsırendő normált átviteli függvény: 3 4 Θ 2 Θ Θ f ′ ( Θ ) = 30 − 60 + 30 . γ γ γ
(5.10)
A másodrendő normált átviteli függvény:
66
2 3 Θ Θ Θ f ′′ ( Θ ) = 60 − 180 + 120 . γ γ γ
(5.11)
A tervezéskor figyelembe vett peremfeltételek: f = 0, Θ = 0, f ′ = 0, f ′′ = 0, . f = 1, Θ = γ, f ′ = 0, f ′′ = 0.
(5.12a) (5.12b)
Az (5.9)-(5.11) függvényeket az 5.7. ábra mutatják. 1
2
0.8
1.5
f(z)
f '(z)
0.6 0.4
0.5
0.2 0
1
0
50
100
150
0
200
θ [°]
0
50
100
150
200
θ[°]
6 4
f ''(z)
2 0 -2 -4 -6
0
50
100
150
200
θ [°]
5.7. ábra: A legyártott mechanizmus normált átviteli függvényei A mechanizmus hornyos bütyökhengerének gyártásához meghatározható a kapcsolódó tag középpontjának pályája az átviteli függvény alapján (5.8. ábra). A kapcsolódó tag középpontjának pályája a hajtótag geometriai alapfelületén elhelyezkedı ra=23 mm sugarú görbe, amelynek egyenlete a síkba kiterített hengerköpeny x-y koordinátarendszerében:
x = ra γ z,
(5.13)
y = h2 f ( z).
A görgıközéppont a pályára bocsátott normális κ emelkedési szögével és az rR=3mm görgısugárral kifejezhetı a munkagörbe egyenlete: x M = x ± rR cos κ, y M = y ± rR sin κ.
.
(5.14)
A κ emelkedési szög az alábbi egyenlettel számítható:
67
tgκ =
dy dy dγ y′ = = . dx dγ dx x′
(5.15)
A bütyökhenger 3D-s képét az 5.9. ábra mutatja. A bütyökhenger anyaga PTFE TF 4215 (25% szén töltıanyaggal) típusú mőanyag, amely széles hımérséklet tartományban (-200°C+260°C) alkalmazható, idıjárási viszonyokkal szemben kiváló az ellenálló képességő, nem nedvesedik, illetve kis súrlódási tényezıvel (kenés nélkül µ=0,09, PTFE/acél kombináció olajkenéssel µ=0,02-0,06) rendelkezik. A kapcsolódó tag anyaga Ck 45 acél. 20
görgıközéppont pályája munkagörbe munkagörbe
15
y [mm]
10
5
0
-5
0
50
100
150
x=2πra [mm]
5.8. ábra: A szerkesztett bütyökhenger kiterített metszete
5.9. ábra: A legyártott bütyökhenger 3D-s képe
68
5.1 Szerkezeti felépítés Az 5.1. ábra folyamatterve szerint a tervezés második (II) fázisában következik a részletes mechatronikai tervezés. Az értekezés további fejezetei ezzel foglalkozik. Az 5.10. ábra a legyártott kísérleti berendezést szemlélteti, amely a régebbi konstrukció több szerkezeti elemét is tartalmazza. A konstrukció és azzal lefolytatott kísérletek szolgáltak alapul egy szabadalmi bejelentéshez és annak megadásához [NL1], amely a dolgozat szerzıje is részese. Az állandó mágnes gerjesztéső szervomotor (PMDC) (18) rugalmas tengelykapcsolón (17) keresztül forgatja meg a mechanizmus bemenı tengelyét (14), amelyen a hornyos bütyökhengert (7) egy csapszeg (10) meneszti. A 2 darab, szimmetrikusan elhelyezett, kapcsolódó tag (6) egymással szemben helyezkedik el, és a vezetıdobban (8) szilárdan illesztett. A kapcsolódó tagok (6) alsó része a hornyos bütyökhengerhez (7), felsı része pedig az axiális megvezetést biztosító hornyos kialakítású házba (4) kapcsolódik. A ház (4) a csapágyházhoz (3) csavarral rögzített, ez utóbbi az ábrán nem számozott. A szabadonfutóval egybeépített, ugyancsak nem számozott, fogaskerékegység axiális elmozdulását a vezetıdobhoz (8) rögzített két félbıl álló tányér (9), és egy rögzítı győrő (ábrán nem számozott) biztosítja. A kimenı tengely (25), amelyen a fogaskerék elmozdulhat, a csapágyházban (2) csavarral (19) rögzített elfordulás ellen. A szervomotor (18) 180°-os elfordulásakor a hajtás rugalmas tengelykapcsolón (17) és a bemenı tengelyen (14) keresztül jut el a hornyos vezérpályás bütyökhengerhez (7). A vezérpályához kapcsolódó tagok (6) a vezetıdobot (8) tengelyirányú mozgásra kényszerítik a ház (4) hornyaiba illeszkedı kapcsolódó tagok (6) segítségével. A mechanikus kapcsolatok révén a szabadonfutóval egybeépített fogaskerék a kimenı tengely (25) ferde fogazású evolvens profilú bordás tengelyrészén keresztül haladó-elforduló mozgást végez.
69
5.10. ábra: A kísérleti berendezés szerkezeti rajza 70
A kivitelezett új kísérleti berendezés fényképét az 5.11. ábra mutatja.
5.11. ábra: Az új kísérleti berendezés fényképe A fogaskerék kapcsolódás megszüntetése ebben a megoldásban a szervomotor (18) ellentétes irányú, 180°-os elfordításával biztosítható. A fı részegységeket és a mőködéshez szükséges elemeket az 5.3. táblázat foglalja össze. A szervomotor vezérlését és konfigurálását a CNCDRIVE Hungary Kft. munkatársai végezték el, ún. „Servokonfigurator” szoftver segítségével. A szabályozás zárt hurkú a pozíció visszajelzése az inkrementális encoder feladata, amelyet a motor tengelyéhez csatlakozik.
Megnevezés
Típus
Jellemzı
PMDC szervomotor
Serial Nr. ACAH8856
P=45 W
Tengelykapcsoló MKM 2
Mmax=2 Nm
Gyártó CNCDRIVE HUNGARY Kft. JAKOB GmbH
2048 5,5 V DC inkrement/fordulat
CNCDRIVE HUNGARY Kft.
Szervomotor vezérlı
„Mammut”
18-28 V DC Imax=40 A
CNCDRIVE HUNGARY Kft.
Toroid transzformátor
Serial Nr. NT320
320 VA 230 V/24 V
CNCDRIVE HUNGARY Kft.
Inkrementális encoder
5.3. táblázat: A kísérleti berendezés elemei
71
A tesztelés elsı fázisában a szervomotor és annak vezérléséhez szükséges paramétereket kellett beállítani. A kísérleti berendezés terhelés nélküli vizsgálatoknál több mint 300 000 ciklust végzett. A berendezés terheléses vizsgálata elıtt felvételre került a motor nyomaték karakterisztika a szögsebesség függvényében, amit az 5.13. ábra mutat. A teszt során vizsgáltuk az axiális elmozdulást, a motor melegedését, a motor áramfelvételét, és a ciklusidıt.
5.2 Elektrodinamikai modell Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modelljét az 5.12. ábra szemlélteti. A (4.1) összefüggésbıl kiindulva a Lagrange függvény a következı alakban írható fel:
L = T* − Vpot .
(5.16)
A kiegészítı kinetikai energia az 5.12. ábra jelölései alapján a következı: 2 2 1 1 ds1 J2 ɺ xɺ 22 . T = m1 + J1 Θ + m 2 + 2 2 dΘ 2 ( r0 tg ( 90° − β ) ) *
(5.17)
A potenciális energia: Vpot =
2 1 k b ( x 2 − s1 ( Θ ) ) , 2
(5.18)
ahol kb rugómerevség a 4.8. ábra és a (4.7) összefüggés alapján került meghatározásra. A nem konzervatív erık virtuális munkája: ɺ ) δΘ − b xɺ − ds1 Θ ɺ δx − ds1 δΘ , ∂Wnc = M ( Θ 2 2 2 dΘ dΘ
(5.19)
ɺ ) az alkalmazott szervomotor nyomaték-szögsebesség méréssel meghatározott ahol M ( Θ
kvázi stacionárius karakterisztikája, amely az 5.13. ábra alapján szakaszonként lineárisnak tekinthetı.
5.12. ábra: Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modellje
72
0.4
M0
mérési eredmény alkalmazott modell
0.35
Mm [Nm]
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
θ
θ 0.05
max
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
dθ/dt [1/s]
5.13. ábra: Az alkalmazott szervomotor M(dθ/dt) karakterisztikája Az 5.13. ábra szolgál alapul a motor nyomaték függvényének felírásához: M0 , ɺ ) = M (Θ ɺ −Θ ɺ ), M −a Θ 0 ( 0
ɺ <Θ ɺ , ha Θ 0 ɺ ≥Θ ɺ , ahol a = ha Θ 0
M0
( Θɺ max − Θɺ 0 )
.
(5.20)
Az (5.17) és (5.18) összefüggéseket visszahelyettesítve (5.16)-ba, majd (4.1)-be, és tekintettel az (5.9)-(5.11), (5.19) és (5.20) kifejezésekre az (5.21) szerinti differenciál egyenletrendszer adódik:
ɺɺ + m s′ s′′Θ ɺ 2 + b ( − xɺ + s′ Θ ɺ ) s′ + k ( − x + s )s′ = M ( Θ ɺ ), m1 s1′2 + J1 Θ 1 1 1 2 2 1 1 b 2 1 1 J2 ɺ ) + k ( x − s ) = 0. m2 + ɺɺ x 2 + b 2 ( xɺ 2 − s1′ Θ b 2 1 2 ° − β r tg 90 ( ) ( ) 0
(5.21)
Az (5.21) egyenletrendszer szimulációs eredményeit az 5.14. ábra mutatja. Az új kapcsolómechanizmus paramétereit az 5.4. táblázat foglalja össze. Megállapítható, hogy a hajtó és hajtott tag mozgása egyidejőleg történik, ami a hagyományos kapcsolómechanizmusnál az elsı, holtjáték szakasz miatt a mőködés késleltetett. Egy közös koordináta rendszerben ábrázolva a hagyományos kapcsolómechanizmus hajtó fogaskerekének elmozdulás-idı függvényét és az 5.14. c ábra szerinti függvényt megállapítható, hogy a fogaskerék kapcsolódása az új megoldásban a régitıl kedvezıbb és a kapcsolási idı kb. 20 ms-on belül van.
73
0.02
150
0.015
s 1 [m]
θ [°]
200
100 50 0
0.01 0.005
0
0.01
0.02
0.03
0
0
t [s]
0.01
0.02
0.03
t [s]
0.02
z2 [m]
0.015 0.01 0.005 0
0
0.01
0.02
0.03
t [s]
5.14. ábra: Az (5.21) egyenletrendszer szimulációs eredményei
Megnevezés
Jelölés Érték
Mértékegység
A mechanizmus tömege
m1
0,0013
[kg]
A mechanizmus tehetetlenségi nyomatéka
J1
1,13 ⋅10−5
[kgm2]
5.4. táblázat: A mechanizmus paraméterei
74
0.016
0.014
0.012
Régi kapcsolómechanizmus Új kapcsolómechanizmus
x2 [m]
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
t [s]
5.15. ábra: A régi és az új kapcsolómechanizmus hajtófogaskerekének elmozdulás-idı függvénye
5.3 További lehetséges megoldások a vezérpálya görbe átviteli függvényére A különbözı normált átviteli függvények végtelen nagy száma felveti azt a kérdést, hogy az adott mozgásfeladatot melyik átviteli függvény teljesíti a legelınyösebben. Kinematikai és dinamikai szempontból kedvezı viselkedést csak azok a mozgásfüggvények mutatnak, amelyek normált átviteli függvénye ütés- és lökésmentes. A vezérpálya görbe másodrendő átviteli függvényét különbözı részfüggvényekkel vizsgálva újabb lehetséges megoldások nyerhetık. Az 5.16. ábra egy trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvényt mutat, amely felépíthetı szinusz-konstans-koszinusz-konstans-szinusz részfüggvényekkel [74], [122]. Lehetséges megoldásokként ezekbıl a részfüggvényekbıl - különbözı paraméterek alkalmazása mellett – eltérı összátviteli függvények határozhatók meg. 6
Ca 4
f''(z)
2 0
a/2
b/2
I
II
c/2
c/2
b/2
a/2
-2 -4
IV
III
V
VI
-Ca
-6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z
5.16. ábra: Trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvény
75
A részfüggvények csatlakozásánál az alábbi feltételnek kell teljesülnie:
f n′′ ( z ) = f n +1′′ ( z ) ,
(5.22)
ahol n=I,…,VI a függvény szakaszok száma. A kihajtó mozgás ütésmentes lefolyása érdekében érvényesülni kell továbbá a következı feltételnek is:
f n′ ( z = 0 ) = f n′ ( z = 1) = 0 .
(5.23)
A lökésmentes kihajtó mozgás feltétele:
f n′′ ( z = 0 ) = f n′′ ( z = 1) = 0 .
(5.24)
f z′′( z ) = −f z′′ (1 − z ) .
(5.25)
A szimmetria feltétele:
A másodrendő átviteli függvényt három paraméter (a,b,c) írja le, az állandó és változó gyorsulási tartományokra pedig a következı arányossági tényezıket vezethetık be: b , a b A2 = . c A1 =
A következıkben az egyes szakaszok (I,…,VI) másodrendő átviteli függvényébıl kiindulva meghatározhatók az elsırendő és nulladrendő átviteli függvények. a Az I. szakasz tartománya 0 ≤ z ≤ , a ≠ 0 és másodrendő átviteli függvénye: 2 π f I′′( z ) = Ca sin z . a
(5.26)
Az elsırendő átviteli függvény az (5.26) összefüggésbıl, integrálással állítható elı: a π π f I′ ( z ) = ∫ Ca sin z dz = −Ca cos z + K I . π a a
(5.27)
Az I. szakasz kezdeti feltétele:
f I′ ( z = 0 ) = 0 ,
(5.28)
amelybıl a KI konstans értéke meghatározható: 0 = −Ca
a + KI π
⇒ K I = Ca
a , π
(5.29)
és így adódik, hogy: a a π f I′ ( z ) = Ca − cos z . a π π További integrálással a nulladrendő függvények adódnak. Az I. szakasz, 0 ≤ z ≤
(5.30) a 2
a ≠ 0,
függvénye az (5.29) alapján: 76
a a a a2 π π f I ( z ) = ∫ Ca − cos z dz = Ca z − 2 sin z + q I . π a a π π π
(5.31)
A kezdeti feltétel:
f I′ ( z = 0 ) = 0 = q I .
(5.32)
A qI konstans meghatározása után a kapott függvény:
a a2 π f I ( z ) = Ca z − 2 sin z . π a π
(5.33)
A továbbiakban az egyes konstansok meghatározása mellızi a részletes kifejtést, illetve az elvégzett matematikai egyszerősítéseknél is csak a kezdeti feltételek és a kapott eredmények kerülnek ismertetésre. a 1− c A II. szakasz tartománya ≤ z ≤ és függvénye: 2 2
f II′′ ( z ) = Ca . A III. szakasz tartománya
1− c 1+ c ≤z≤ , c ≠ 0 és függvénye: 2 2
π 1− c f III′′ ( z ) = Ca cos z − .. 2 c A IV. szakasz tartománya
(5.34)
(5.35)
1+ c a ≤ z ≤ 1 − és függvénye: 2 2
′′ ( z ) = −Ca . f IV Az V. szakasz tartománya 1 −
(5.36)
a ≤ z ≤ 1, a ≠ 0 és függvénye: 2 π f V′′ ( z ) = Ca sin ( z − 1) . a
(5.37)
A VI. szakasz tartománya z > 1 és függvénye:
′′ ( z ) = 0 . f VI
(5.38)
Az elsırendő átviteli függvény az II-VI szakaszokban, nem ismételve a tartományokat, integrálással állíthatók elı: f II′ ( z ) = ∫ Ca dz = Ca z + K II .
(5.39)
a a f II′ z = = Ca , π 2
(5.40)
A kezdeti feltétel:
A KII konstans meghatározása után kapott elsırendő átviteli függvény:
77
a a f II′ ( z ) = Ca z + − . π 2
(5.41)
π 1− c π 1 − c c f III′ ( z ) = ∫ Ca cos z − dz = Ca sin z − + K III . 2 π 2 c c
(5.42)
A III. szakasz függvénye:
A kezdeti feltétel: 1− c 1 − c a a b a f III′ z = + − = Ca + . = Ca 2 π 2 2 2 π
(5.43)
A KIII konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: b a c π 1 − c f III′ ( z ) = Ca + + sin z − . 2 c 2 π π
(5.44)
A IV. szakasz függvénye: ′ ( z ) = − ∫ Ca dz = −Ca z + K IV . f IV
(5.45)
1+ c b a 1 − c − a a ′ z = f IV + . = Ca + = Ca 2 π 2 π 2
(5.46)
A kezdeti feltétel:
A KIV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: a a ′ ( z ) = Ca + 1 − − z . f IV 2 π
(5.47)
a π π f V′ ( z ) = ∫ Ca sin ( z − 1) dz = − Ca cos ( z − 1) + K V . π a a
(5.48)
Az V. szakasz függvénye:
A kezdeti feltétel: 1− a a f V′ z = = Ca . 2 π
(5.49)
A KV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: a a π f V′ ( z ) = Ca − cos ( z − 1) . π π a
(5.50)
′ (z) = 0 . f VI
(5.51)
A VI. szakasz függvénye:
Hasonlóan az elızıekben bemutatott eljáráshoz, további integrálással adódnak a nulladrendő függvények. A II. szakasz függvénye:
78
z2 a a a a f II ( z ) = ∫ Ca z + − dz = Ca + − z + q II . π 2 2 π 2
(5.52)
A kezdeti feltétel:
a a a2 a f II z = = Ca − 2. 2 π 2 π
(5.53)
A qII konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény:
z2 a a a 2 a 2 f I ( z ) = Ca + − z − 2 + . 8 2 π 2 π
(5.54)
A III. szakasz függvénye: b a c b a c 2 π 1 − c π 1 − c f III ( z ) = ∫ Ca + + sin z − = C a + z − 2 cos z − 2 2 . c c 2 π π 2 π π + q III
(5.55)
A kezdeti feltétel:
(1 − c )2 a a 1 − c a 2 a 2 1− c f III z = + − − 2 + . = Ca 2 π 8 π 2 2 8
(5.56)
A qIII konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: b a (1 − c ) 2 c2 a 2 a 2 c 2 π 1 − c f III ( z ) = Ca + z − + 2 − 2 + − 2 cos z − . 2 8 8 c 2 π π π π
(5.57)
A IV. szakasz függvénye:
a a a z2 a f IV ( z ) = ∫ Ca + 1 − − z dz =Ca + 1 − z − + q IV . 2 2 2 π π
(5.58)
A kezdeti feltétel: 2 1 + c b a 1 + c (1 − c ) a 2 a 2 f IV z = − − 2 − . = + 2 2 π 2 8 8 π
(5.59)
A KIV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: z 2 a a 1 1 1 f IV ( z ) = Ca − + + 1 − z + 2c2 − a 2 2 − − . 2 π 8 4 2 π
(
)
(5.60)
Az V. szakasz függvénye:
a2 a a π a π f V ( z ) = ∫ Ca − cos ( z − 1) dz =Ca z − 2 cos ( z − 1) + q V . π π π a π a
(5.61)
A kezdeti feltétel:
79
(1 − a )2 a 1− a a 1 − a 1 1 2 2 1 fV z = = C − + + 1 − + 2c − a − a 2 − . 2 8 π 2 2 π 8 4
(
)
(5.62)
A KV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: 2 2 1 − a ) − c 2 ( a2 a π 2c − a f V ( z ) = Ca z − 2 cos ( z − 1) + + . π π2 4 π a 2
(5.63)
A VI. szakasz függvénye:
f VI ( z ) = 1 .
(5.64)
A Ca gyorsulásjellemzı az (5.63) összefüggésbıl a z=1 feltétel alapján határozható meg: Ca =
(
4π2 . π2 − 8 a 2 − c 2 − 2π( π − 2 )a + π2
)(
)
(5.65)
A Cv sebességjellemzı azonos a (5.44) egyenlet jobb oldalával, amikor a sebesség maximuma z=0,5 értéknél van: a+c b C v = Ca + . 2 π
(5.66)
A CM nyomatékjellemzı az alábbi összefüggéssel számítható: CM = max ( f ′ ( z )f ′′ ( z ) ) .
(5.67)
A számításokat A1=0,5, A2=0,5; A1=1, A2=1; és A1=2, A2=2 értékek behelyettesítésével végezzük el. Az A1 és A2 arányossági tényezık változtatásával a 5.5. táblázatban összefoglalt eredmények kaphatók, ahol összehasonlításképpen a prototípus jellemzıit és százalékos eltérések is láthatók. Az egyes normált átviteli függvényeket az 5.17. ábra, 5.18. ábra és 5.19. ábra szemléltetik.
Jellemzık
Ca
Cv
CM
Prototípus
5,7735
1,8749
6,6942
A1=0,5, A2=0,5
5,6393
2,0000
8,1112
Eltérés [%]
-2,3227
6,6666
21,1666
A1=1, A2=1
5,2788
2,0000
8,0979
Eltérés [%]
-8,5683
6,6666
20,9687
A1=2, A2=2
4,8881
2,0000
8,0899
Eltérés [%]
-15,3352
6,6666
20,8493
5.5. táblázat: Ca, Cv, CM jellemzık értékei különbözı A1, A2 értékeknél
80
1.5
2 Prototípus A1=0,5 A2=0,5
1.5
f(z)
f ' (z)
1
1 Prototípus A1=0,5 A2=0,5
0.5 0.5 0
0
0.5
0
1
0
0.5
z
1
z
10 Prototípus A1=0,5 A2=0,5
f' '' (z)
5 0 -5 -10
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
z
5.17. ábra: A1=0,5 és A2=0,5 arányú, normált átviteli függvények 1.5
2 Prototípus A1=1 A2=1
1.5
f(z)
f ' (z)
1
1 Prototípus A1=1 A2=1
0.5 0.5 0
0
0.5
0
1
z
0
0.5
1
z
10 Prototípus A1=1 A2=1
f '' (z)
5 0 -5 -10
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
z
5.18. ábra: A1=1 és A2=1 arányú, normált átviteli függvények
81
2
Prototípus A1=2 A2=2
1
f '(z)
f(z)
1.5
0.5 0
0
0.5
1 Prototípus A1=2 A2=2 0
1
0
0.5
z
1
z
10 Prototípus A1=2 A2=2
f ''(z)
5 0 -5 -10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
z
5.19. ábra: A1=2 és A2=2 arányú, normált átviteli függvények Az eredményekbıl és a szakirodalmak alapján megállapítható, hogy az A1=2 és A2=2 arányossági tényezıkkel kedvezı átviteli függvények valósíthatók meg, mivel kis Ca értéknél a mechanizmus terhelése csökken, illetve a nagyobb CM értéknél nagyobb hajtónyomaték adódik.
5.4 Motor kiválasztása az új mechanizmushoz A hajtó villamos motornak olyan teljesítményre van szüksége, ami biztosítja az elıirt kapcsolási idıt (t<0,03 s) és a vezérpálya szögelfordulást (γ=180°) A kiválasztáshoz két különbözı vezérpálya sebességprofilt érdemes vizsgálni a [70] irodalom alapján, amelyeket az 5.20. ábra szemléltet. A vizsgálatoknál a motor bekapcsolási jelenségei, veszteségei és a mechanikai veszteségek figyelmen kívül hagyhatók. 1200 Trapéz profil Háromszög profil 1000
ω [1/min]
800
600
400
200
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t [s]
5.20. ábra: Vezérpálya sebesség profilok 82
A háromszög alakú sebességprofilnál a γ szögelfordulás az 5.20. ábra alapján írható fel: ωmax t . 2
(5.68)
∆ω 2ωmax 4γ = = 2 , t t ∆t
(5.69)
γ=
A szöggyorsulás: ε=
amelybıl a minimális szöggyorsulás értéke: ε=
4γ 4π = = 13963 rad 2 . 2 2 s t 0, 03 ( )
A maximális szögsebesség: ωmax =
2γ 2π = = 209, 4 rad . s t 0, 03
Szimmetrikus, trapéz alakú sebességprofilnál a szögelfordulás a következıképpen határozható meg: γ = ωt gy + ω( t − 2t gy ) .
(5.70)
Átalakítva és rendezve az (5.70) összefüggést a következı írható: ω=
γ . ( t − t gy )
(5.71)
A motor nyomatékszükséglete:
M m = J red ε = ( J m + J1 + J 2 )
ω , t gy
(5.72)
ahol a szöggyorsulás, trapéz alakú sebességprofilból egyszerően számítható. Felhasználva (5.71) és (5.72)-et a szükséges motornyomaték: Mm =
J red ω2 . ( ωt − γ )
(5.73)
A mechanikai teljesítmény: P = Mm ω =
J red ω3 . ( ωt − γ )
(5.74)
A mechanikai teljesítmény szélsı értéke az alábbi összefüggéssel határozható meg. 2 ∂P J red ω ( 3( ωt − γ ) − ωt ) = =0. 2 ∂ω ( ωt − γ )
(5.75)
Az (5.75) összefüggés megoldását az 5.21. ábra mutatja, amely szerint a minimális teljesítményigény: Pmin = 22,39 W .
83
A 7.sz. melléklet tartalmazza a minimális teljesítményigény alapján kiválasztott motorok paramétereit. Az (5.75) összefüggés megoldását az 5.21. ábra mutatja, amely szerint a minimális teljesítményigény. 0
78,54 rad/s -5
∂P/∂ω
-10
-15
-20
-25 50
60
70
80
ω [rad/s]
90
100
110
5.21. ábra: Minimális teljesítmény szükséglet
5.5 Kiértékelés A megépített tesztberendezés ilyen formában nem alkalmas egy indítómotorba történı. A számítások alapján kétféle konstrukciós kialakítás javasolható megvalósításra:
Csıtengely forgórésző motor, egytengelyő (koaxiális) hajtással Normál motor mechanikus hajtással kombinálva
5.22. ábra: Tárcsa forgórésző motorral hajtott kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata A mechanikus hajtással való kombinált megoldásban a motort az eddig alkalmazott kapcsolómechanizmust mőködtetı elektromágnes helyére célszerő beépíteni. Követelmény az is, hogy a választott és megfelelı villamos motor befoglaló mérete kisebb legyen az elektromágnes méreténél és a szerkezet átlós méretét ne növelje. A kidolgozott megoldásváltozatokat a 8. sz. melléklet tartalmazza, ahol az M1 az indítómotor, az M2 a
84
kapcsolómechanizmust mőködtetı motor. A 8. sz. mellékletben feltüntetett megoldásokat az 5.6. táblázat összefoglalóan értékeli:
Hatásfok η [%]
Gyártási költség
Szükséges szerelési pontosság
Zaj
1.
96-99
közepes
közepes
közepes kicsi
nagy
2.
92-96
nagy
nagy
közepes kicsi
közepes
3.
30-98
nagy
nagy
kicsi
kicsi
kicsi
4.
88-95
nagy
nagy
közepes kicsi
nagy
5.
84-92
nagy
nagy
közepes kicsi
közepes
6.
29-97
nagy
nagy
közepes kicsi
nagy
Nr.
Helyszükséglet Kopás az áttétel függvényében
5.6. táblázat: Megoldásváltozatok értékelési szempontjai A konkrét számítások részletezése nélkül a mechanikus hajtás optimális hajtóviszonya a következık alapján határozható meg a megvalósításra kiválasztott egyes megoldásnál.
5.23. ábra: Mechanikus hajtással kombinált kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata A mechanizmus által létrehozott maximális gyorsuláshoz a hajtási láncot a motortól kiindulva kell megtervezni. Az 5.23. ábra valamint a 8.sz. mellékletben szereplı változatok kinematikai láncának a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka az alábbi összefüggéssel határozható meg:
J red,M = J hajtó + k ö2 J hajtott ,
(5.76)
A motor dinamikus nyomatékára vonatkozó összefüggés: ɺɺ M . M 2,gy = J red,M ϕ
(5.77)
A hajtó fogaskerék gyorsulása a motor szögelfordulásnak függvényében az alábbi: ɺɺ x 2 = ki
h2 ɺɺ M . ϕ π
(5.78)
A fenti egyenletet átalakítva kapjuk, hogy:
ɺɺ x2 = kö
(J
M 2,gy
hajtó
+ k ( J hajtott ) 2 ö
)
h2 . π
(5.79)
85
Az optimális paraméterek meghatározását különbözı motorokkal célszerő elvégezni azért, annak érdekében, hogy a mechanizmus gyorsulása a maximális legyen: ɺɺ 2 dx = 0. dk ö
(5.80)
Behelyettesítve (5.79)-et (5.80)-ba majd átalakítva és rendezve, az optimális hajtóviszony: k ö _ opt =
J hajtó J hajtott
.
(5.81)
Ez alapján már megtervezhetı a megfelelı fogaskerékhajtás. A legyártott bütyökhenger sugara az átviteli szög (µmin) függvényében határozható meg. Az átviteli szög a mechanizmus mozgásképességét jellemzi. Ha egy adott minimális értéknél kisebb az átviteli szög nagysága, akkor a mozgás során beékelıdés, reteszelés, blokkolás léphet fel. Szimmetrikus átviteli függvénynél az f(z)=0,5 értéknél, az alábbi összefüggés érvényes [123], [124]: µ = arctg
ra ω , v max
(5.82)
ahol v max =
h2 ωf ′ ( z )max . γ
(5.83)
Jó közelítéssel a bütyökhenger minimális sugara az alábbi összefüggéssel határozható meg, a µmin=60° figyelembevételével: ra min ≥
h2 f ′ ( z ) max tgµ min . γ
(5.84)
A 5.84 képlet alapján a bütyökhenger minimális sugara: ra min = 14 mm .
Figyelembe véve a bütyökhenger konstrukciós kialakításának szempontjait és a munkagörbére vonatkozó egyenletet, az optimális bütyökhenger befoglaló mérete (átmérı x hossz): dxb = 36 mm x 25 mm.
Ezzel a megoldással a relatív térfogatcsökkenés:
∆V% =
2πra2 b − 2πra2min b min 2πra2 b
100 =
2 ⋅ π⋅ 232 ⋅ 28 − 2 ⋅ π ⋅18 ⋅ 25 ⋅100 ≈ 45% . 2 ⋅ π⋅ 232 ⋅ 28
Az 5. fejezetben ismertetésre kerültek az új kapcsolómechanizmus tervezésének lépései, szerkezeti kialakítása és vizsgálata. A megoldás variációk kidolgozásához szerszámgépek mechatronikai részegységeinek tervezésére érvényes általános folyamatterv lépései szolgáltak alapul. Megállapítható, hogy F-H mozgásátalakító alkalmazásával a kitőzött cél és az tervezési követelmények teljesíthetık.
86
A kidolgozott mechanizmus mozgásfüggvényét ötödfokú polinom írja le. Kidolgozásra került az új kapcsolómechanizmus kísérleti berendezésének gyártási dokumentációja. A legyártott berendezés több mint 300 000 kapcsolás után is üzembiztosan mőködött, a vezérpályán elváltozásnak nyomai nem voltak. A mechanizmus elektrodinamikai modelljének megalkotásához és a szimulációs eredmények alapján megállapítható, hogy az új kapcsolómechanizmus teljesítette a kapcsolási idıre vonatkozó kitőzött célt is. További vizsgálatok szolgáltak a vezérpálya-görbe átviteli függvényének meghatározására, a szükséges minimális teljesítményő villamos motor kiválasztására Az új kapcsolómechanizmus geometriai méretei, kinematikai tervezés során tovább optimálhatók.
87
6. ÖSSZEFOGLALÁS Az értekezés célja egy új technikai elven mőködı indítómotor konstrukciós kifejlesztése volt, amely a személygépjármővek mai követelményeinek megfelel. A hazai és nemzetközi szakirodalmakban hasonló módszerekkel történı, ilyen szintő feltárással és kidolgozással a kutatás során nem találkoztunk. A fejlesztési irány meghatározáshoz a klasszikus tervezéselmélet általános folyamatát és annak módszereit követtük és használtuk fel. Az irodalom- és szabadalomkutatás alapján meghatároztuk a személygépjármő indítómotorok általános funkcióstruktúráját. Megállapítottuk, hogy az energiahordozók fajtája alapján az indító berendezések négy különálló csoportra bonthatók úgy, mint mechanikus, hidraulikus, pneumatikus és villamos energiaforrásról vezéreltek. Különbözı döntés elıkészítési módszerek alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az eddig alkalmazott indító berendezések javítható funkciója az axiális kapcsolatot biztosít részfunkció. Mérésekkel és modellkísérlettel részletesen vizsgáltuk és elemeztük egy a fenti részfunkciót kedvezıen megvalósító mechanizmust. A vizsgálatok eredményei alapján olyan F-H típusú mechanizmust dolgoztunk ki, amely kielégíti az értekezés célkitőzéseiben megfogalmazott követelményeket. Elkészítettük az új mechanizmus vizsgálatára alkalmas kísérleti berendezést, amelyhez kapcsolódóan foglalkoztunk a szerkezet geometriai kialakításának kérdéseivel, kinematikai és dinamikai méretezéssel és modellezéssel.
6.1 Új tudományos eredmények összefoglalása Az értekezés új tudományos eredményeit az alábbi tézisek foglalják össze: T.1. A klasszikus tervezéselmélet általános folyamattervét alkalmazva meghatároztam a személygépjármővek belsıégéső motorjainak indítására alkalmas berendezések általános funkcióstruktúráját. Megállapítottam, hogy az energiahordozók fajtája alapján négy különbözı funkcióstruktúra állítható fel úgy, mint mechanikus, hidraulikus, pneumatikus, villamos elven mőködı indító berendezések. Megalkottam az indítómotorok tervezıi katalógusát. A megfelelı indítómotor változat kiválasztásához morfológiai összeférhetıségi mátrixokat hoztam létre, amelyek alapján, a célkitőzéseknek megfelelıen különbözı értékelési módszerek felhasználásával új elvi megoldást választottam ki megvalósításra. T.2. Kidolgoztam a személygépjármő indítómotorokban jelenleg alkalmazott kapcsolómechanizmus elektromechanikai modelljét és annak kapcsolt nemlineáris differenciál-egyenletrendszerét. Méréssel és számítással meghatároztam a kapcsolómechanizmus rugó erı karakterisztikáját Matlab környezetben programot írtam a levezetett differenciál-egyenletrendszer numerikus megoldására.
T.3. Egy elektromechanikai elvő mérési módszert dolgoztam ki a kapcsolómechanizmus vasmagos tekercsének statikus (szekáns) induktivitásának mérésére. A mérések lefolytatásához kísérleti berendezést hoztam létre a vasmagra ható behúzó erı mérésére. Méréssel közvetlenül meghatároztam az induktivitás hely szerinti deriváltját az áramerısség függvényében, amelyet azután a hely függvényében ötödfokú polinommal, az áramerısség függvényében harmadfokú polinommal közelítettem. A közelítı függvényeket integrálva elıállítottam a tekercs induktivitás függvényét a mőködési tartományban.
88
T.4. Megalkottam egy új innovatív indítómotor kapcsolómechanizmust a hajtó fogaskerék axiális mozgatásához. Az új kapcsolómechanizmus egy forgó-haladó – továbbiakban F-H – mozgásátalakítót tartalmaz. Az F-H mozgásátalakító egy követıgörgıs, hengeres vezérpályás mechanizmus, amelynek síkba terített profilja ötödfokú Hermite polinom. Kísérleti berendezést állítottam össze az új kapcsolómechanizmus vizsgálatára és megalkottam annak mőködését leíró dinamikai modelljét. Számításokkal és mérésekkel igazoltam, hogy az új kapcsolómechanizmus kapcsolási ideje a jelenlegi kapcsolási idınél kisebb.
6.2 Továbbfejlesztési lehetıségek Továbbfejlesztési lehetıségként az alábbi területeket lehet megemlíteni: -Axiómatikus tervezéselmélet alapján genetikus algoritmusok alkalmazásával felül lehet vizsgálni az elméleti megoldásmezıt. Az iparban alkalmazott módszerekkel pl. QFD további kedvezı megoldás keresése. -A kidolgozott mérési módszerhez új mérıberendezés létrehozása. A mérésekhez NC pozícionáló szán felhasználása. -A bemutatott új kapcsolómechanizmus geometriai és szilárdságtani méretezése. -A kapcsolómechanizmust vezérlı áramkör elektronikai tervezése, illetve annak vizsgálata. Különbözı vezérlési, szabályozási módok változatainak elemzése és dinamikai analízise.
89
Summary The purpose of the dissertation was to develop a new state-of-the-art starter motor. Classical design methodology were used to explore the theoretically possible solutions at principle impact level. It was found that the solution field obtained could be divided into four large groups, such as starters controlled by mechanic, hydraulic, pneumatic, and electric energy sources. Various decision preparation methods were used to select and determine the viable solutions. Determination of the development direction – the decision – was always prepared in cooperation with the engineers of the project partner. Design catalogues are prepared and used for each sub-function of the theoretical solutions. These were used to establish that design and development did not in every case mean the conception of something new, but it is much more logical to select the most suitable one of the already existing similar products, and to improve its weak points to fit the modified requirements and boundary conditions. It follows from the analyses that the most sensitive point of the device is the mechanism ensuring the axial connection. The basis of developing variants is how the pinion-engaging mechanism (PEM) can be replaced by other solutions, since the magnetic switch is one of the most sensitive parts of the starter. The dissertation presents a non-linear dynamic model of the solenoid switch using energybased modelling applying the Euler-Lagrange formalism The electro-dynamic modelling of the PEM requires inductance of the solenoid switch and its derivate depending on the position of the solenoid armature. Chapter 4. proposes an electromechanical method for determining the inductance function of an electromagnetic actuator. The inductance depends on the position of the iron core and on the current. The time dependency and hysteresis are neglected. The method is based on the direct measurement of the inductance derivative with respect to the iron core position. One advantage of the method proposed is that it produces the inductance derivatives directly and following that, inductance can be determined by integration. The inductance is obtained by numerical integration. It is assumed that the inductance of the air core coil is given. The current dependency is significant when the whole geometry of the iron core is situated within the coils. Another advantage is that the measurements can be performed also when the current is the same as in the operating condition, with consideration of the nonlinear material property. An experiment is designed to measure the inductance of the solenoid switch. A series of measurements are performed in order to determine the equivalent inductance of the electromagnetic actuator on the basis of the electromechanical theory detailed in Section 4. The electromagnetic force is measured by a compact load cell in discrete positions of the iron core. Positioning is registered by a laser interferometer. The controller of the measurement circuit uses an AC power supply unit for the relay and a DC power supply unit for the time delay. The operating time is 0.1 (s). The given inductance function was built in the electro-dynamical model. The measurement and the simulation results show a rather good agreement. Chapter 5. presents a Mechatronic design process. In general, it follows VDI Guidelines 2206 and applying a model-based design tool, focusing conceptual design stage. This section describes a new pinion-engaging mechanism for starter motors which is fulfilling the requirements of the modern starting system. The aim was set that the new switch mechanism should be coaxially placed with the axle of the electric motor so that the axial increase in dimension should be as small as possible. The operation of the switch mechanism is performed by an electric motor and a rotary-linear motion transformer drive. The design and production documentation of the test bench is written. We tested the axial movement of the 90
pinion, the heat of the motor and the time of 1cycle. The test was successfully, and the mechanism had not significant abrasion and not signs of fatigue. We built up the electromechanical model of the new PEM. The model is described by a nonlinear system of differential equations. The simulation of the PEM was performed by Matlab. The last section some aspects of the kinematic relationships of the motion control and optimization were considered.
91
New scientific results
Thesis 1. I have defined the general function structure of starter motors for internal combustion engine for passenger cars, applied by classical design methodology. I have defined the formulation of the task and determined the basic functions. I looked for solution variants and used to explore the theoretically possible solution at principle impact level. I found that the solution field obtained could be divided into four large groups such as starters controlled by mechanic, hydraulic, pneumatic, electric energy sources. I have created design catalogue for starter motors. I have used to various decisions preparation methods to select and determine the viable solutions. Thesis 2. I have worked out an electro-dynamical model of the pinion-engaging mechanism (PEM) for starter motors for passenger cars. The model is described by a system of nonlinear differential equation. The electro-dynamic modelling of the PEM requires inductance of the electromagnet and its derivative depending on the position of the iron core. The nonlinearity are derived on the one hand that the inductance depends on the position of the solenoid armature and on the current, on the other hand the resultant spring rigidity which is changes step by step and the butt-on of the solenoid switch and the drive pinion. I measured and calculated the resultant spring characteristics of the PEM. I solved the given system of nonlinear differential equation in Matlab environment by Runge-Kutta method. The simulation and measured results shows a rather good agreement. Thesis 3. I worked out an electromechanical measurement method for determining the inductance function of the PEM. The inductance depends on the position of the iron core and on the current. The method is based on the direct measurement of the inductance derivative with respect to the solenoid armature position at different currents. I designed a test bench to measure the electromagnetic force. The electromagnetic force depends on the derivative of the inductance with respect to the position of the armature. The derivative of the inductance function is provided by the measurements, and then the inductance function is obtained by numerical integration. I have approximated the partial derivative of the inductance by the cubic polynomial in terms of the current, and by the fifth-degree polynomial in terms of the position. Thesis 4. I designed a new mechanism for the axial movement of the drive pinion. The new PEM is a cam follower mechanism which contains a rotational to translational transducer. The rotational to translational transducer can be realized by designing a cylindrical roller follower mechanism. The selected displacement function of the cam mechanism was fifth degree Hermite polynomials. I designed a test bench for the new PEM. I tested the axial movement of the pinion, the heat of the motor and the time of 1cycle. I built up the electromechanical model of the new PEM. I have been proved by measurement and calculation that the new PEM switching time is less than the currently applied PEM.
92
Felhasznált irodalom [1] ANDERSSON, S., ET AL: Friction models for sliding dry, boundary and mixed lubricated contact, Tribology International (40), pp 580-587. 2007. [2] BAKÁCS, A.: Ipar-Egyetem kapcsolatok, Technológia fejlıdés és új tudományos eredmények NKTH MECENATÚRA pályázat, ismeretterjesztı cikksorozat, 2006. október [3] BALL, J.K., ET AL: Torque estimation and misfire detection using block angular velocity, SAE 2000 World Congress, Detroit, Michigan, March 6-9, 2000. [4] BÁNSÁGI-PETRÓK-POREMPOVICS-REMÉNYI: Gépjármővillamossági mőszerész, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981. [5] BERCSEY, T. - DÖBRÖCZÖNI, Á. - DUPCSÁK, ZS. - HORÁK, P. - KAMONDI, L. - KELEMEN. T.- PÉTER, J. - SCHOLTZ, P.: Új termék kifejlesztése és bevezetése, a piacravitel ideje és az azt meghatározó tényezık, PHARE TDQM, Miskolc, 1997. [6] BERCSEY, T.: A gépszerkesztés tudományának fejlıdése és jellemzı vonásai. GÉP Vol. 42., No. 2., 1990. [7] BERCSEY, T.; HORVÁTH, I.: A korszerő géptervezés feltételei, módszerei és eszközrendszere, GÉP, Vol. 37., No 11., 1985. [8] BERCSEY, T. -DÖBRÖCZÖNI, Á. - DUPCSÁK, ZS. - HORÁK, P. - KAMONDI, L. - KELEMEN. T.- PÉTER, J. - TÓTH, J.: Terméktervezés és fejlesztés, PHARE TDQM, Budapest, 1997. [9] BERCSEY, T.- VAJNA, S.: Ein Autogenetischer Ansatz für die Konstruktionstheorie. CAD-CAM Report, 1994, 13(2), 66–71; 1994, 14(3), 98–105. [10] BERCSEY, T.: A tervezéselmélet és a CAD oktatása, GÉP, Vol. 40., No 10., 1988. [11] BIHARI Z.-SZENTE, J: Az állandó zárószög feltétele görgıs szabadonfutóknál: Roller freewheels with constant pressure angle GÉP 61:(9-10) pp. 11-13. (2010) [12] BIHARI, Z.- SZENTE J.:Szabadonfutó tengelykapcsolók vizsgálata, GÉP LVI:(11-12) pp. 161-166. (2005) [13] BIRKHOFER, H.: Analyse und Synthese der Funktionen technischer Produkte. Fortschr. Ber. VDI-Z. Reihe 1, Nr. 70. Düsseldorf: VDI-Verlag 1980. [14] BLÁGA, CS.- KOVÁCS, E.: Modeling and Measurement of a Starter, ISPE Ee 2011, The 16th International Symposium of Power Electronics. Novi Sad, Szerbia, pp. 15.(ISBN:978-86-7892-355-5) [15] BLÁGA, CS.:Indítómotor laboratóriumi tesztmérése AUTÓTECHNIKA, JAVÍTÁS ÉS KERESKEDELEM 9: pp. 28-31. (2010) [16] BLÁGA, CS.:Lineáris elektromágnesek mőködésének számítógépes szimulációja, ELEKTROTECHNIKA 3: pp. 73-76. (2005) [17] BLÁGA, CS.-KOVÁCS, E.: Performance Curves of Starter based on Mathematical Model, MACRo2010 Proceedings of the 2nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics, Marosvásárhely, Románia, pp. 121-128.(ISBN:978-973-1970-39-4) [18] BLÁGA, CS.-KOVÁCS, E.: Személygépkocsi indítómotorjának szimulációja, A JÖVİ JÁRMŐVE 5:(1-2) pp. 95-98. (2010) [19] BLÁGA, CS: Simulation of Performance Curves for Starters,International CONgress on Automotive and Transport Engineering (CONAT2010). Brasov, Románia, 2010.10.272010.10.29. Brasov: Transilvania University Press, pp. 93-100. [20] BODE C.: Methoden zur InduktivitÄtsberechnung, Jahresbreicht 2009. p 14. [21] BOHNER – GSCHEIDLE – LEYER – PICHLER – SAIER – SCHMIDT - SIEGMAYER - ZWICKEL: Gépjármőszerkezetek Budapest Mőszaki Könyvkiadó, 2003. [22] BRANKAMP, K: Planung und Entwicklung neuer Produkte, Berlin, de Gruyter, 1981.
93
[23] CHEN, F. Y.: Mechanics and Design of Cam Mechanism, Pergamon Press, New York, 1982. [24] CHIOU, S-J. – KOTA, S.: Automated conceptual design of mechanisms, Mechanism and Machine Theory 34 (1999) pp. 467-495. [25] CIURYS, M., DUDZIKOWSKI, I., GIERAK, D.: Modelling of a car starter with permanent magnet commutator motor, The Internatioan Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 28. No.3 2009. pp. 722-729. [26] CRANDALL S. H., KARNOPP C. D., KURTZ JR. E. F., PRIDEMORE-BROWN D. C.:Dynamics of Mechanical and Electromechanical Systems, McGraw-Hill, 1968. [27] DEMERDASH N. A., NEHL T. W.: Electric Machinery Parameters and Torques by Current and Energy Perurbations from Field Computations – Part I: Theory and Formulation, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14. December 1999. S. 1507-1513. [28] DEMERDASH N. A., NEHL T. W.: Electric Machinery Parameters and Torques by Current and Energy Perurbations from Field Computations – Part II: Application and Results, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14. December 1999. S. 1514-1522. [29] DEZSÉNYI, GY - EMİD, I.- FINCHIU, L.: Belsıégéső motorok tervezése és vizsgálata. Budapest, Nemzeti Tankkönyvkiadó, 1999. 33-792. [30] DÖBRÖCZÖNI, Á. – DÖMÖTÖR, CS. – PÉTER, J.: TRIZ and nature, Design of Machine and Structures, Vol. 2, No. 2 (2012), pp. 15-22. [31] DÖMÖTÖR, CS. – PÉTER, J.: Natural analogies and TRIZ, Design of Machine and Structures, Vol. 2, No. 2 (2012), pp. 23-31. [32] DUDZIKOWSKI, I., CIURYS, M.: Analysis of operation of a car starter with BLDC motor, Prezglad Elektrotechnizny, ISSN 0033-2097, R.86 Nr. 4, 2010. pp 166-169. [33] EHRLENSPIEL, K: Integrierte Produktentwicklung, Leipzig, Fachbuchverlag Leipzig, 1. Auflage, 1995. [34] ELBAUM, J.: Elektromágnesek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968. [35] EMİD, I: A jármőhajtás alternatívái, elıadásanyag, BMGE Gépjármővek Tanszék, Budapest, 2004. [36] EYABI P,- WASHINGTON G: Modeling and sensorless control of an electromagnetic valve actuator, Mechatonics 2006;16:159–175. [37] FÜVESI, V.- KOVÁCS, E.-BLÁGA CS.: Measurement and Identification of a Starter Motor System MACRo2010 Proceedings of the 2nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics. Marosvásárhely, Románia,. pp. 129-134.(ISBN:978-973-1970-39-4) [38] G. PAHL-W. BEITZ: Engineering Design. London, The Design Council, 1984. [39] G.S. ALTSHULLER: Creativity as an exact science: the theory of the solutions of inventive problems, in: F.H. George (Ed.), Studies in Cyberbetics, Gordon and Breach Science Publishers, 1984. [40] GERLING-KHATEEB: Computer Aided Macromodeling for Electromechanical System, Technical Report, 2007. p. 14. [41] GOLDBERG, D.E.: Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison- Wesley, Reading, MA, 1989. [42] GOLLEE R., ROSCHKE TH., GERLACH G.: A finite element method based dynamic analysis of a long stroke linear actuator, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (196-197), 1999. pp. 943-945. [43] GOTTHARD, V.: Moduláris felépítéső gyártósorok tervezésének elmélete és gyakorlata, PhD értekezés, BMGE, Budapest 2008. [44] GUO Y., ZHU J., LU H., JIN J.: Computation of Incremental Inductances for Nonlinear Dynamic Analysis of a Claw Pole SMC Motor, Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics, (15)., No 3. 2007.
94
[45] GYIMESI M., OSTERGAARD D.: Inductance Computation by Incremental Finite Element Analysis, IEEE Trans. Magn., (35), 1999. pp 1119-1122. [46] H.-J. FRANKE, - M. DEIMEL: Selecting and combining methods for complex problem solving within the design process. International design conference – design 2004 Dubrovnik, May 18 - 21, 2004. [47] HADZISELIMOVIC M., BLAZNIK M., STUMBERGER B., ZAGRADISNIK I.: Magnetically Nonlinear Dynamic Model of a Series Wound DC Motor, Przeglad Elektrotechniczny, (87), No. 12b., 2011. pp 60-64. [48] HADZISELIMOVIC M., VIRTIC P., STUMBERGER G., MARCIC T., STUMBERGER B.: Determining force charasterictics of an electromagnetic brake using co-energy, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (320), 2008. e556-561 [49] HANSEN, F: Módszeres Géptervezés, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1969. [50] HEYWOOD, J.B.: Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Inc. 1988. [51] HILLER, M.: Modelling, simulation and control design for large and heavy manipulators In: International Conference on Recent Advances in Mechatronics (pp. 78–85) Istanbul, Turkey, 1995. [52] HORVÁTH, I: Conceptual design: Inside and outside, p10. [53] HORVÁTH, P.: Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása a szerszámgéptervezésben, Kandidátusi értekezés, Miskolc, 1994. [54] HORVATH,I.: A treatise on order in engineering design research, Research in Engineering Design 15 (3) (2004) 155–181. [55] HUBKA, V.: Theorie der Maschinensysteme– Grundlagen einer wissenschaftlichen Konstruktionslehre, ISBN 3 540 06122 3, Springer-Verlag, Berlin, 1973. [56] HUBKA, V., EDER, W.E.: Theory of Technical Systems. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, ISBN 0-387-17451- 6. 1988. [57] ISERMANN, R.: Mechatronic systems—Innovative products with embedded control, Control Engineering Practice 16 (2008) pp. 14–29. [58] J. POSTA, - R, PAVLICEK, T.: HLADIK. Starter solenoid and power diagnostics. RES.AGR.ENG., 48 2002 (4): 149-152. [59] J. ZIEBA: Simulation of a Solenoid Actuator for a Device for Investigating Dynamic Air Permeability Through Flat Textile Products. FIBRES&TEXTILS in Eastern Europe Apr/June 2003. vol. 11. No. 2. (41) [60] JANSCHEK K.: Mechatronic Systems Design, Methods, Models, Concepts, Springer, 2012. [61] KAMONDI, L. – TAKÁCS, Á.: Objektum semleges géptervezés. Szakmérnöki jegyzet. Készült: : „A felsıoktatás szerkezeti és tartalmi fejlesztése” CAD/CAM/FEM kompetencia kurzusok projekt keretében (HEFOP-3.8-P-2004-060012). Miskolc, 2006. [62] KAMONDI, L. -TAKÁCS, Á: Conceptual product theories adaptable for computers. 2nd Fatique Symposium Leoben. 2008. Leoben. ISBN 978-3-902544-0, pp. 102-109. [63] KAMONDI, L.: Thinking as a constructor-acquirement and saving of the knowledge. 49. Mezinarodni Conference Kateder ĉástí a Mechanismu Stroju. 2008. Srní. ISBN 978-807043-718-6,pp:119-124. [64] KARLHEINZ ROTH: Tervezés katalógussal. Budapest, Mőszaki Könyvkiadó, 1989. [65] KOLLER, R.: Konstruktionsmethode für den Maschienen-, Geräte- und Apparatebau, Spinger-Verlag, Berlin, 1979. [66] LINDE, H. - HILL, B.: Erfolgreich erfinden –Wiederspruchsorientierte Innovationstrategie für Entwickler und Konstrukteure, Hoppenstedt Technik Tabellen Verlag, Darmstadt, 1993. [67] LINDEMANN, U: Morphologie und Gesamtkonzept, Übung 04. Technische Universitat München, 2006.
95
[68] LU H., ZHU J., GUO Y.: Calculation of Differential Inductances of a Tubular Linear PM Actuator, Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics, (15), Supplement 2007. [69] MATTHEWS, R.: Reduced engine friction and wear, Final Technical Report, The University of Texas, 2005. [70] MERMELSTEIN, S. P.- HALE, D.- ACAR, M.- JACKSON, M.R.- ROBERTS, K.: PATTERNING servo-mechanism for a circular warp knitting machine, Mechatronics 11 (2001), pp. 617-630. [71] MEYER R., BRAUN H., REHAGE R., WEINMANN H.: Alternators and Starter Motors, Robert Bosch GmbH, 2003. [72] MOL: Kenıanyagok és autókemikáliák, 2007. [73] NEUGEBAUER, R. – DENKENA, B. – WEGENER, K.: Mechatronic Systems for machine tools, Annals of the CIRP Vol. 56/2/2007. pp. 657-686. doi:10.1016/j.cirp.2007.10.007. [74] NORTON, R.L: Cam Design and Manufacturing Handbook, New York, Industrial Press, 2002. [75] O. GOMIS BELLMUNT ET AL. Linear electromagnetic actuator modeling for optimization of mechatronic and adaptronic systems. Mechatronics 17 Elsevier. 2007. 153-163. [76] OLSSON, H., ET AL: Friction models and friction compensation, p 37, 1997. [77] OTTOSSON, S.: Dynamic product development — DPD, Technovation 24 2004 pp. 207– 217. [78] PAHL, G.; BEITZ W.: Konstruktionslehre– Handbuch für Studium und Praxis, ISBN 963 10 3796 7, Springer-Verlag, Berlin, 1981., 2003., 2005., 2007. [79] PARK, J.K.: Simulation of starting process of diesel engine under cold conditions, International Journal of Automotive Technology, Vol. 8, No. 3, pp 289-298. 2007. [80] POPOVIC, P –IVANOVIC, G: A Methodology for the Design of Reliable Vehicles in the Concept Stage, Strojniski vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)3, 173185. [81] PREUMONT, A.: Mechatronics, Dynamics of Electromechanical and Piezoelectric Systems, Springer, 2006. [82] PUGH, S.: Creating Innovative Products using Total Design, 1996 (Addison-Wesley: Reading, MA). [83] R, ZAVBI – J, DUHOVNIK: Design environment for the design of mechanical unit drives, Computer-Aided Design, Vol. 27, No. 10, pp. 769-761.1995. [84] REXROTH BOSCH GROUP: A fluidtechnika – hidraulika alapjai és elemei. Bosch Rexroth AG, 2004. [85] REXROTH BOSCH GROUP: A pneumatika alapjai. Bosch Rexroth AG, 1991. [86] RICK, T.: Gépipari terméktervezési folyamatok erıforrás-, és költségszempontú optimálása a termékstruktúra figyelembevételével, Doktori értekezés, BMGE, Budapest, 2007. [87] RODENACKER, W. G.: Methodisches Konstruieren, 2. kiadás, ISBN 3 540 07513 5, Springer Verlag, Berlin, 1976. [88] RÖHMERS, L.H.J: Automatic Generation of Combustion Engine Models Using with Matlab & Idle Train Train Model in Matlab/Simulink, Traineeship Report, LuK GmbH Co. & TUE, 2005. [89] ROTHBART, H. A.: Cam Design Handbook, New York, McGraw-Hill, 2004. [90] SAE INTERNATIONAL WEBSITE: www.sae.org [91] SARIS, M-PHILIPS, N.: Computer simulated engine performance [92] SCHLICKSUPP, H: Wege zu innovativen Produkten und Dienstleistungen, Würzburg, Vogel 1.Auflage, 1988.
96
[93] SE-YUEN MAK: Six ways to measure inductance, Phys.Educ. September 2002. pp. 439445. [94] SE-YUEN MAK: The RLC circuit and the determination of inductance, Phys. Educ., (29) 1994. pp 94-97. [95] STANKOVIC, A.- BENDEDICT, E.R. - JOHN, V. -LIPO, T.A.: A novel method for measuring induction machine magnetizing inductance, Industry Applications Conference, 1997. Thirty-Second IAS Annual Meeting, IAS '97., Conference Record of the 1997 IEEE [96] STUMBERGER G., PLANTIC Z., STUMBERGER B., MARCIC T.: Impact of static and dynamic inductance on calculated time response, Przeglad Elektrotechniczny, (87). No. 3., 2011. pp 190-193. [97] SUH, N. P.: Axiomatic Design of Mechanical Systems, A Special Combined Issue of the Journal of Mechanical Design and the Journal of Vibration and Acoustics, Vol 117(B), pp. 2-10. [98] SUH, N. P.: Design and Operation of Large Systems, Journal of Manufacturing Systems Vol. 14/No. 3 1995. pp. 203-213. [99] SUH, N. P.: Design of Systems, Annals of the ClRP Vol. 46/1/1997. pp. 75-80. [100] SUH, N. P.: The Principles of Design, Oxford University Press, New York, 1990. [101] SZALONTAI, L.- KOVÁCS, E.- BLÁGA, CS: Investigation of the Solenoid Switch of an Electric Starter Motor Using FEM MACRo2010 Proceedings of the 2nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics. Marosvásárhely, Románia, 2010.05.14-2010.05.15. pp. 183-188.(ISBN:978-973-197039-4) [102] SZILÁGYI, A.: Szuperfiniselı berendezés dinamikai vizsgálata, PhD értekezés, Miskolc, 2010. [103] SZYPER M.: Inductance Measurement, CRC Press LLC, 1999. [104] TAJNAFÖI, J.: Mechanizmusok származtatáselméletének alapjai és hatása a kreatív gondolkodásra, Akadémiai doktori értekezés, Miskolc, 1991. [105] TAJNAFÖI, J.: Szerszámgéptervezés I., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 1973. [106] TAJNAFİI, J: Szerszámgéptervezés II. Budapest, Tankönyvkiadó, 1990. [107] TAKÁCS, Á. - KAMONDI, L.: Computer aided morphological design. 3th International Conference on Computer Aided Design and Manufacturing, CADAM 2005. Supetar, Croatia. pp. 219-226. [108] TAKÁCS, Á.: Számítógéppel segített koncepcionális tervezési módszer, Ph.D. Értekezés, Miskolc, 2009. [109] TAKÁCS, GY.: Szerszámgépek strukturális tervezése grafikus adatbázisokkal, egyetemi doktori értekezés, Miskolc, 1996. [110] TERNAI, Z.: Gépjármőmotorok méretezése, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1967. [111] TOMIYAMA, T. -P. GU, P. - JIN Y.- LUTTERS, D. - KIND, CH.- KIMURA, F.: Design methodologies: Industrial and educational applications, CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) pp. 543–565. [112] TÖMÖSI, M. J. - FRANK, GY.: Autóvillamosság. Budapest, Mőszaki Könyvkiadó, 1978. 262-286. old. [113] URAY – DR. SZABÓ: Elektrotechnika Budapest Nemzeti Könyvkiadó, 1980. [114] VAJNA, S. - CLEMENT , S. - JORDAN, A .- BERCSEY, T.: The Autogenetic Design Theory: an evolutionary view of the design process, Journal of Engineering Design Vol. 16, No. 4, August 2005, pp. 423–440. [115] VAJNA, S.: Theories and methods of product development and design, Gépészet 2008 Budapest, 29-30.May 2008. G-2008-P-02 p 23.
97
[116] VALASEK, I: Tribológia 2. Kenıanyagok és vizsgálataik, Budapest, Tribotechnik Kft. 2003. [117] VDI 2206: Design methodology for mechatronic systems, Düsseldorf, 2004. [118] VDI 2221 RICHTLINIE: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, 1993 (VDI-Verlag: Düsseldorf). [119] VDI RICHTLINIE 2222 BL. 1: Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien. Düsseldorf, 1997. [120] VDI RICHTLINIE 2225 BL. 1 UND BL. 2: Technisch-wirtschafliches Konstruieren. Düsseldorf, 1977. [121] VELEZDI, GY.: Nagysebességő váltópályás mechanizmusok vizsgálóberendezése, Egyetemi doktori értekezés, Miskolc, 1987. [122] VIZI, G.: 2D-s CNC szalagköszörőgép fejlesztési kérdései, PhD értekezés, Miskolc, 2005. [123] VOLMER, J.-STADT, K.M.: Getriebetechnik, Berlin, Veb Verlag Technik, 1969. [124] VOLMER, J: Bütykös mechanizmusok,Budapest, Mőszaki Könyvkiadó, 1980. [125] WALTEROS, C., ET AL: Startersimulation, Kooperationsprojekt, 2003. [126] Y, ZENG - S, YAO: Understanding design activites through computer simulation, Advanced Engineering Informatics (23) 2009. pp. 294–308. [127] YE, Z-G. – ZOU, H-J. – GUO, W-Z. – HU, S. -TIAN Y-L. - XU, Y.: Automatic Design Theory and Realization of Kinematic Schemes for Mechanism System, Front. Mech. Eng. China (2006) 1: 48–55. DOI 10.1007/s11465-005-0014-7, Higher Education Press and Springer-Verlag 2006 [128] YOSHIKAWA, H.: General Design Theory as a Formal Theory of Design, Intelligent CAD I: Proceedings of the IFIP TC5 Wg5.2 Workshop 1987, ISBN: 0444874747, Elsevier Science & Technology Books, 1989. [129] ZADNIK- M. - KARAKAŠIĆ – M. - KLJAJIN, M. –DUHOVNIK, J: Function and Functioality in the Conceptual Processes, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering (55) 2009. 7-8, 455-471. [130] ZWICKY, F.: The morphological method of analysis and construction. Courant anniversary volume. New York: Intersciences Publish, p. 461-470. [131] YAO,Y.- ZHANG, C. - YAN, H-S.: Motion control of cam mechanism, Mechanism and Machine Theory 35 (2000) 593-607. [132] XIAO, H.- ZU, J-W.: Cam profile optimization for a new cam drive, Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 2592~2602
98
Szabadalmi hivatkozások [S1] ACKERMANN, M. ET AL: Starter apparatus for an internal combustion engine, Lajstromszám: 5,533,415, Közzététel: 1996.07.09. [S2] ANDOH, K., ET AL: Electromagnetic switch for starter, Lajstromszám: US 2002/0145494 A1, Közzététel: 2002.10.10. [S3] BOCQUET, C., ET AL: Internal combustion engine starter equipped with a friction freewheel starter drive assembly, Lajstromszám: WO 2006/100353 A1, Közzététel: 2006.09.28. [S4] BOEGNER, K: Solenoid switch for starter, Lajstromszám: US 6,360,707, Közzététel: 2002.03.26 [S5] BÖGNER, K-H.: Electrical switch for starters, Lajstromszám: 4,755,781, Közzététel: 1988.07.05. [S6] BÖGNER, K-H., ET AL: Electromagnetically operated switch, particularly starter switch for automotive starter motors, Lajstromszám: 4,243,964, Közzététel: 1981.01.06. [S7] CALLSEN, A: Starting device for internal combustion engines, Lajstromszám: 2,052,127, Közzététel: 1936.08.25. [S8] CALVIN, J.A., ET AL: In-line cranking motor drive having reduction gear set, Lajstromszám: 4,412,457, Közzététel: 1983.11.01. [S9] DYER, J. B.: Control apparatus for internal combustion engines, Lajstromszám: 2,016,417, Közzététel: 1935.10. 08. [S10] EBIHARA, K: Inertia drive type starter for internal combustion engine, Lajstromszám: 4,502,429, Közzététel: 1985.03.05. [S11] EYERMANN, M., ET AL: Cranking device for internal combustion engine, Lajstromszám: 5,159,908, Közzététel: 1992.11.03. [S12] FULTON, D. A., ET AL: Engegement and disengagement mechanism for a coaxial starter motor assembly, Lajstromszám: US 6,633,099 B2, Közzététel: 2003.10.14. [S13] GIOMETTI, P. F.: Starter drive with positiv advance and inertia relaese, Lajstromszám: 3,572,133, Közzététel: 1971.03.23. [S14] GREENWOOD, L.D.: Electric starter with confined cushion, Lajstromszám: 4,479,394, Közzététel: 1984.10.30. [S15] HASEBE, N.: Starter with speed reduction mechanism Lajstromszám: 5,129,270, Közzététel: 1992.07.14. [S16] HIRABAYASHI, T.: Starter electromagnetic switch, Lajstromszám: US 2006/0220771 A1, Közzététel: 2006.09.28. [S17] HIRNING, ET AL: Starter device for an internal combustion engine having separate engaging process and starting process, Lajstromszám: US 2008/0127927 A1, Közzététel: 2008.06.05. [S18] HIRUMA, H., ET AL: One-axis starter apparatus, Lajstromszám: US 6,389,914 B1, Közzététel: 2002.05.21. [S19] HNILICA, M.: Meshing method for the starter pinion int he ring gear of an internal combustion engine and starter motor for carrying out the method, Lajstromszám: W0 02/081903 A1, Közzététel: 2003.01.30. [S20] HNILICA, M: Starter for internal combustion engine, Lajstromszám: US 6,870,278 B2, Közzététel: 2005.03.22. [S21] IMANISHI, T., ET AL: Starter having thrust receiving member between motor shaft and outpust shaft, Lajstromszám: US 6,857,984 B2, Közzététel: 2005.02.22. [S22] ISOZUMI, S., ET AL: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 5,044,212, Közzététel: 1991.09.03. 99
[S23] ISOZUMI, S.: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 4,918,324, Közzététel: 1990.04.17. [S24] ISOZUMI, S.: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 4,945,777, Közzététel: 1990.08.07. [S25] JASTRZEMBOWSKI, M., ET AL: Integral one way overrun clutch with eoicycle gear system, Lajstromszám: US 7,219,569 B2, Közzététel: 2007.05.22. [S26] JONES, B. W.: Engine starter gearing, Lajstromszám: 2,258,455 Közzététel: 1941.10.07. [S27] KAMEI, K., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 6,286,378 B1, Közzététel: 2001.09.11. [S28] KIMURA, E., ET AL: Coaxial engine starting system, Lajstromszám: 570,760,487, Közzététel: 1998.06.02. [S29] KRISTOF, J. J., ET AL: Pneumatic starter for internal combustion engine, Lajstromszám: 4,846,122, Közzététel: 1989.07.11. [S30] KURASAWA, T., ET AL: Magnetic switch for starter motor, Lajstromszám: US 2002/0067231 A1, Közzététel: 2002.06.06. [S31] LEPRES, A., ET AL: Sealed and oil lubricated starter motor gear reduction and overrunning clutch mechanism, Lajstromszám: EP 1 669 593 A1, Közzététel: 2006.06.14. [S32] MALLOFRÉ, S. G.: Engine starter arrangement, Lajstromszám: 3,094,845, Közzététel: 1963.06.25. [S33] MANNING, E.V.: Hydraulic system method, Lajstromszám: 3,156,229, Közzététel: 1964.11.10. [S34] MATSUI, F: Engine starting system for motor vehicle, Lajstromszám: 5,642,696, Közzététel: 1997.07.01. [S35] MAUCH, F., ET AL: Engaging relay for starter devices, Lajstromszám: 5,677,656, Közzététel: 1997.10.14. [S36] MENDENHALL, C. A.: Engine starting gearing, Lajstromszám:2,863,320, Közzététel: 1958.12.09. [S37] MILLER, D. L.: Engine starter gearing, Lajstromszám: 2,644,338 Közzététel: 1953.07.07 [S38] MILLWARD, J. R.: Starter for internal combustion engines, Lajstromszám: 1,341,658, Közzététel: 1920.06.01. [S39] MIYAKE, S: Electromagnetic switch for use in starter, Lajstromszám: US 2008/0136568 A1, Közzététel: 2008.06.12. [S40] MORISHITA, A., ET AL: Pinion shifting mechanism of an engine starter Lajstromszám: 5,012,686, Közzététel: 1991.05.07. [S41] MORTENSEN, H.R.: Two stage starter drive system, Lajstromszám: 4,305,002, Közzététel: 1981.12.08. [S42] MUELLER, K., ET AL: Starting system for an internal combustion engine, Lajstromszám: US 6,834,630 B1, Közzététel: 2004.12.28. [S43] NARDONE, R. M.: Two-way drive, Lajstromszám: 2,562,568 Közzététel: 1951.07.31. [S44] NGUYEN, ET AL: Relay, in particular for a starting device, Lajstromszám: US 6,693,503 B1, Közzététel: 2004.02.17. [S45] NIIMI, M., ET AL: Starter solenoid switch with highly reliable contacts, Lajstromszám: US 6,937,122 B2, Közzététel: 2005.08.30. [S46] NISHIDA, T., ET AL: Permanent magnet starter, Lajstromszám: 5,617,758, Közzététel: 1997.04.08. [S47] OKADA, S.: Starter, Lajstromszám: US 2008/0004147 A1, Közzététel: 2008.01.03. [S48] ONO, H., ET AL: Engine starter, Lajstromszám: WO 2007/074802 A1, Közzététel: 2007.05.07. [S49] ONO, H., ET AL: Starter, Lajstromszám: WO 2006/137494 A1, Közzététel:2006.12.28. [S50] PIHEL, L. J.: Hydraulic starting system for internal combustion engines, Lajstromszám: 2,845,916, Közzététel:1958.08.05.
100
[S51] RENNER, S., ET AL: Circuit for a latching relay, Lajstromszám: US 6,323,562 B1, Közzététel: 2001.11.27. [S52] RODRIGUEZ, G. G.: Starter motors, Lajstromszám: 3,209,603, Közzététel: 1965.10.05. [S53] ROMETSCH, W.: Starting device of compact construction, Lajstromszám: 5,317,933, Közzététel: 1994.06.07. [S54] SAITO, S., ET AL: Starter motor, Lajstromszám: WO 2007/034666 A1, Közzététel: 2007.03.29. [S55] SCHMIDT, K-O., ET AL: Starting device for internal combustion engines in motor vehicles, Lajstromszám: WO 2006/120180 A3, Közzététel: 2006.10.05. [S56] SCHNEIDER, P. L., ET AL: Engine starting apparatus, Lajstromszám: 2,862,391, Közzététel:1958.12.02. [S57] SHEILLY, A. H., ET AL: Starting mechanism for internal combustion engines Lajstromszám: 3,399,576, Közzététel: 1968.09.03. [S58] SHEILLY, A. H.: Electric engine-starting motor, Lajstromszám: 2,772,158, Közzététel: 1955.12.13. [S59] SHEILLY, A. H.: Engine starting mechanism, Lajstromszám: 3,177,368, Közzététel: 1965.04.06. [S60] SHIGA, T., ET AL: Magnetic switch for starter, Lajstromszám: US 6,822,544 B2, Közzététel: 2004.10.23. [S61] SHIGA, T., ET AL: Magnetic switch for starter, Lajstromszám:US 6,710,690 B2, Közzététel: 2004.03.24. [S62] SHIROYAMA, S., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 6,333,567 B1, Közzététel: 2001.12.25. [S63] SIEMS, H., ET AL: Starter device, Lajstromszám: US 6,822,544 B2, Közzététel: 2004.07.20. [S64] SIEMS, H., ET AL: Starter, Lajstromszám: WO 03/008798 A1, Közzététel: 2003.01.30 [S65] STOCKTON, T. R.: Integrated generator and starter motor, Lajstromszám: 5,418,400, Közzététel: 1995.05.23. [S66] SUZUKI, S., ET AL: Engine starter, Lajstromszám: 5,720,247, Közzététel: 1998.02.24. [S67] TANAKA, M: Starting device with air motor for internal combustion engines, Lajstromszám: 4,694,701, Közzététel: 1987.09.22. [S68] TURGAY, B., ET AL: Electric motor, Lajstromszám: US 6,428,442 B1, Közzététel: 2002.08.16. [S69] UTSUNOMIYA, Y., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 2008/0084129 A1, Közzététel: 2008.04.10. [S70] WHEATLEY, D.: Electric starting mechanism for internal combustion engines, Lajstromszám: 3,232,123, Közzététel: 1966.02.01. [S71] YOUNG, D.A., ET AL: Starter motor incorporating an epicyclic reduction gear mechanism, Lajstromszám: 4,528,470, Közzététel: 1985.07.09.
101
Publikációk az értekezés témájában Szabadalom [NL1] JAKAB, E.- NAGY, L.- LÉNÁRT, J.- FISCHER, T.: Starter für eine brennkraftmashine, DE 102010064352 A1, 2012. 07.05. p 9.
Idegen nyelvő folyóiratban megjelent cikk (lektorált) [NL2] NAGY, L. – SZABÓ, T. – JAKAB, E.: Functional Analysis and Mechatronic Design of a Cam Controlled Mechanism, Procedia Engineering 2014. p 8.. ISSN 18777058 Elsevier (megjelenés alatt) [NL3] NAGY, L. – SZABÓ, T. – JAKAB, E.: Electromechanical modelling of a pinion engaging mechanism for starter motors, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences, Vol. 8, No. 1, pp. 97–108 (2013) ISSN 17881994, doi: 10.1556/Pollack.8.2013.1.9 [NL4] NAGY,L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: Electro-dynamical Modelling of a Solenoid Switch of Starter Motors, Procedia Engineering (48) 2012. ISSN 1877-7058, pp. 445452 http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2012.09.538. Elsevier
Független hivatkozások: 1. CHENG, Q., ZHANG, Z., GUO, H., XIE, N. Improved processing and performance of GDI injector based on metal injection molding technology (2014) International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 44 (1), pp. 99-114. 2. CHENG Q., ZHANG Z., GUO H., XIE N. Application of MIM technology in GDI injector production Nongye Jixie Xuebao/Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, Volume 45, Issue 7, July 2014, pp 41-47. [NL5] NAGY, L. - LÉNÁRT, J. - JAKAB, E.: Determination of the inductance of starter relays, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém, vol. 39 (2). ISSN 01330276 pp. 233-235 (2011). [NL6] NAGY, L.- JAKAB, E.: Developement of new technical solution for starter motors for passenger cars, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém, vol. 38(2). ISSN 0133-0276 pp. 127-132 (2010).
Magyar nyelvő folyóiratban megjelent cikk (lektorált) [NL7] NAGY, L.: Követıgörgıs vezérpályás mechanizmus vizsgálata, GÉP LXIII 2012/12. ISSN 0016-8572 pp. 81-84. [NL8] NAGY, L.: Lineáris elektromágneses aktuátor induktivitásának vizsgálata, GÉP LXIII. 2012/3. ISSN 0016-8572 pp.3-6. [NL9] NAGY, L. - JAKAB, E.: Indítómotorok lehetséges megoldásváltozatainak meghatározása hagyományos tervezésmódszertani eszközökkel, GÉP LXI. 3.szám ISSN 0016-8572 pp.35-42. [NL10] NAGY, L.-JAKAB, E, Elektromágneses kapcsolókaros mechanizmusok modellezésének kérdései, GÉP LX. 10-11. szám, ISSN 0016-8572 pp. 103-106. [NL11] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY., Értékelemzési módszerek indítómotorok fejlesztésénél, GÉP 58.. 2007/10-11. ISSN 0016-8572 pp. 97-100. 102
[NL12] NAGY, L.-JAKAB, E., Módszeres géptervezés alkalmazása indítómotorok fejlesztésénél, GÉP LVII. 2006/8-9. ISSN 0016-8572 pp. 128-130.
Idegen nyelvő konferencia cikk (lektorált) [NL13] NAGY,L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: A novel method for measuring inductnace of an electromagnetic actuator, Proceedings of the 13'th International Carpathian Control Conference (ICCC), High Tatras, Podbanské Slovak Republic, May 28-31, 2012., ISBN 978-1-4577-1866-3, pp. 511-514. IEEE Catalog Number: CFP1242L-CDR doi:10.1109/CarpathianCC.2012.6228697 [NL14] NAGY, L.-JAKAB, E.: Modelling and Simulation of the Pinion-Enganging Mechanism of Starter Motors, Proceedings of Sixth Conference on Mechanical Engineering, GÉPÉSZET 2008, ISBN 978-963-420-947-8 CD-ROM, Budapest, 2008. május 29-30.
Idegen nyelvő konferencia cikk (nem lektorált) [NL15] NAGY, L. - LÉNÁRT, J. - SZABÓ, T.: Analysis of starter relay, MMaMS 2011 Proceedings of the 4th International conference, Her'lany, Slovakia 20-22 Sept. 2011. ISBN 978-80-553-0731-2 CD-ROM pp. 317-322.
Független hivatkozások: 1. VACKOVÁ, M. - TREBUŇA, F. - VIRGALA, I. - KELEMEN, M. - KELEMENOVÁ, T. PRADA, E. - SUROVEC, R. - MIKOVÁ, L.: Intelligent in-pipe machine adjustable to inner pipe diameter, (2012) IEEE 10th Jubilee International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics, SAMI 2012 - Proceedings, art. no. 6209020, pp. 507-513. 2. SUROVEC, R. - GMITERKO, A. - KELEMEN, M. - ŠIMČÁK, F. - FODOR, M. VIRGALA, I. - PRADA, E. - VACKOVÁ, M.: Kinematic analysis of snake-like robot using obstacle aided locomotion (2012) IEEE 10th Jubilee International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics, SAMI 2012 Proceedings, art. no. 6209009, pp. 451-455. 3. PAVAN KUMAR,K. V .LATHA,S.: Intelligently Investigateing Robot, International Journal of Review in Electronics & Communication Engineering (IJRECE) (ISSN: 2321-3159) 1: (5) PP. 135-137. (2013)
Magyar nyelvő konferencia cikk (nem lektorált) [NL16] NAGY, L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: Induktivitás meghatározása elektromechanikai módszerrel OGÉT 2012. XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 2012. április 19-22. ISSN 2068-1267 pp. 314-317. [NL17] NAGY, L. - JAKAB, E.: Indítómotor relé dinamikai vizsgálata OGÉT 2011. XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 2011. április 28-május 1. ISSN 20681267. pp 264-267. [NL18] NAGY, L.-JAKAB, E, Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása tervezésmódszertani eszközökkel, Doktoranduszok Fóruma, 2009. november 5. pp. 110-116.
103
[NL19] NAGY, L.-JAKAB, E.: Személygépjármő indítómotorok modellezésének kérdései, Gépész, Mechatronikai és Biztonságtechnikai Szimpózium, ISBN 978-9637154-85-0 CD-ROM, Budapest, 2008. november 14. [NL20] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY.: Mechatronikai szerkezetek funkcióanalízise, microCAD 2007. Nemzetközi Tudományos Konferencia, Miskolc, 2007. március 22-23.
Szakmai tudományos elıadás idegen nyelven [NL21] NAGY,L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: Electro-dynamical Modelling of a Solenoid Switch of Starter Motors The 5th International Conference on Modelling of Mechanical and Mechatronic Systems, MMaMS 2012, Zemplínska Šírava, Slovakia 6th-8th november 2012. [NL22] NAGY,L. - SZABÓ, T. - JAKAB, E.: A novel method for measuring inductnace of an electromagnetic actuator, Proceedings of the 13'th International Carpathian Control Conference (ICCC), High Tatras, Podbanské Slovak Republic, May 28-31, 2012. [NL23] NAGY, L.: Electromechanical modelling of a pinion-engaging mechanism for starter motors, Research Conference on Information Technology, 7th PhD&DLA Symposium, Pécs 24-25 October 2011. [NL24] NAGY, L.: Analysis of starter relay, MMaMS 2011 4th International conference, Her'lany, Slovakia 20-22 Sept. 2011.
Szakmai tudományos elıadás magyar nyelven [NL25] NAGY, L.: Követıgörgıs vezérpályás mechanizmus vizsgálata, Géptervezık és Termékfejlesztık XXVIII. Országos Szemináriuma, Miskolc, 2012. november 8-9. [NL26] NAGY, L.: Lineáris elektromágneses aktuátor induktivitásának vizsgálata, Mechatronikai és Logisztikai Disszeminációs Konferencia, Miskolc, 2012. május 25. [NL27] NAGY, L.: Új módszer kidolgozása elektromágneses aktuátorok induktivitásának mérésére, Mőszaki Tudomány az Észak-kelet Magyarországi Régióban 2012. Szolnok, 2012. május 10. [NL28] NAGY, L.: Induktivitás meghatározása elektromechanikai módszerrel OGÉT 2012. XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 2012. április 19-22. [NL29] NAGY, L.: Indítómotor relé vizsgálata, Mobilitás és Környezet PhD konferencia, Veszprém, 2011. augusztus 29-szeptember 1. [NL30] NAGY, L. - JAKAB, E.: Elektromágneses aktuátor dinamikai vizsgálata Mőszaki Tudomány az Észak-Kelet Magyarországi régióban 2011. konferencia, Miskolc, 2011. május 18. [NL31] NAGY, L- JAKAB, E.: Indítómotor relé dinamikai vizsgálata OGÉT 2011. XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 2011. április 28-május 1. [NL32] NAGY, L.- JAKAB, E.: Gépjármő indítómotorok kutatása, fejlesztése, MOBILITÁS és KÖRNYEZET: a jármőipar kihívásai az energetika, a szerkezeti anyagok és környezeti kutatások területén, PhD konferencia és tehetséggondozó tábor, Veszprém, 2010. augusztus 23-25. [NL33] NAGY, L. Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása tervezésmódszertani eszközökkel, Doktoranduszok Fóruma, 2009. november 5. [NL34] NAGY, L. - JAKAB, E.: Személygépjármő indítómotorok modellezésének kérdései, Gépész, Mechatronikai és Biztonságtechnikai Szimpózium, Budapest, 2008. november 14.
104
[NL35] NAGY, L.-JAKAB, E.: Elektromágneses kapcsolókaros mechanizmusok modellezésének kérdései, Géptervezık és Termékfejlesztık XXIV. Országos Szemináriuma, Miskolc 2008. november 6-7. [NL36] NAGY, L.-JAKAB, E.: Modelling and Simulation of the Pinion-Enganging Mechanism of Starter Motors, Proceedings of Sixth Conference on Mechanical Engineering, GÉPÉSZET 2008, Budapest, 2008. május 29-30 [NL37] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY.: Értékelemzési módszerek indítómotorok fejlesztésénél, Géptervezık és Termékfejlesztık XXIII. Országos Szemináriuma, Miskolc 2007. november 15-16. [NL38] NAGY, L. - JAKAB, E.- TAKÁCS, GY.: Mechatronikai szerkezetek funkcióanalízise, microCAD 2007. Nemzetközi Tudományos Konferencia, Miskolc, 2007. március 22-23. [NL39] NAGY, L.-JAKAB, E.: Módszeres géptervezés alkalmazása indítómotorok fejlesztésénél, Géptervezık és Termékfejlesztık XXII. Országos Szemináriuma, Miskolc 2006. november 9-10.
Ipari kutatások [NL40] Indítómotorok irodalom- és szabadalomkutatása (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc) 2006. [NL41] Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 2007. [NL42] Indítómotor javaslatok és kisérleti példák felépítésének kidolgozása és részletezése (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 2007. [NL43] Mőködıképes kísérleti berendezés tervezése, megépítése, mőködtetése (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 2009.
Egyéb tudományos közlemények és szakmai elıadások [NL44] HANTOS, T.-BARAK, A.-NAGY, L.-SIMON, G.: Hidraulika alapjai, Miskolc 2007. Készült a HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 projekt keretében, (oktatási segédlet) [NL45] KRÖELL, D. I.- KOVÁCS, B.-NAGY, L.: Gáztöltéső hidraulikus akkumulátorok optimális kiválasztása a kiürítési idı figyelembevételével, GÉP LXII.. 9-10.szám ISSN 0016-8572 pp. 5-8. Géptervezık és Termékfejlesztık XXVII. Országos Szemináriuma, 2011. november 10-11. [NL46] KRÖELL, D. I. - NAGY, L, Gázterheléső akkumulátorok kiürítési idejének meghatározása 2. rész Pneumatika, hidraulika, hajtástechnika, automatizálás 2011. május ISSN 1587-6853 pp 3-6. [NL47] KOVÁCS, B.-KRÖELL, D. I.-NAGY, L.: Gázterheléső akkumulátorok kiürítési idejének meghatározása. Pneumatika, hidraulika, hajtástechnika, automatizálás 2010. április, ISSN 1587-6853. [NL48] KOVÁCS, B.-KRÖELL, D. I.-NAGY, L.: Hidropneumatikus akkumulátor kiürítési idejének meghatározása, OGÉT 2010. XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Nagybánya, 2010. április 22-25. ISSN 2068-1267. pp 249-252.
105
[NL49] NAGY, L.-KRÖELL, D. I.-JAKAB, E.-TATÁR, S.-ANTAL, D.: Elektro-hidraulikus pozíció szabályozó vizsgálata, OGÉT 2009. XVII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Mőszaki Szemle Különszám ISSN 1454-0746, Gyergyószentmiklós, 2009. április 2326.
106
Mellékletek 1. sz. Melléklet: A klasszikus géptervezés folyamattervei Folyamattervek Roth [64]
Pahl/Beitz [78]
VDI 2222/1 [119]
Koller [65]
Rodenacker [87]
Feladat
Feladat
Tervezés
Gyártmánytervezés
Feladat
Feladatmegfogalmazási Feladatpontosítás fázis (megfogalmazás)
Koncepcióképzés
Feladatmegfogalmazás Szükséges A Feladatmegfogalmazás, pontosítása hatáskapcsolatok feladatmegfogalmazás funkciójegyzék, Feladatmegfogalmazás pontosítása, követelményjegyzék követelményjegyzék pontosítása, követelményjegyzék Funkcionális fázis Funkciószintézis Funkció Koncepcióképzés (fejlesztés) Általános funkcióstruktúra Fizikai, logikai funkcióstruktúra Kialakítási fázis (formai kialakítás) Geometriai-anyagi termékkialakítás
Funkcióstruktúra, megoldási elvek, mőszaki-gazdasági értékelés
Összfunkció, részfunkció-struktúra, elemi funkcióstruktúra, alapmőveleti struktúra, mőszaki-gazdasági értékelés
Fizikai jelenségek
Megtervezés
Megtervezés
Minıségi szintézis
Hatáshely
Hatásváltozatok, hatáshordozóváltozatok, elvi megoldásváltozatok. Szerkezeti elemek, szerkezeti egységek, rendszerek, kialakítási változatai. Mőszaki gazdasági értékelemzés
Kinematikai hatáskapcsolatok Szerkezeti hatáskapcsolatok. Gyártástechnikai hatáskapcsolatok
Vázlatos kialakítás, részletes kialakítás, értékelés
Szerkezet kialakítása, körvonal kialakítása, mőszaki-gazdasági értékelés
Végleges kialakítás
Léptékhelyes fıterv készítése, mőszakigazdasági értékelés, optimalizálás
(Gyártási kialakítás)
Kidolgozás
Kidolgozás
Mennyiségi szintézis
Alkatrészek kialakítása, költségek felülvizsgálata
Számítások, méretezés. Méretek megadása. Mőszaki gazdasági értékelemzés. Ellenırzés, aláírás. Végleges fıterv, részletrajzok, elıírások, utasítások készítése.
Gyártáshelyes termékkialakítás Gyártás, szerelés, szállítás, ismételt felhasználás stb. szempontból helyes kialakítás. Mőszaki-gazdasági értékelés, elıírások készítése
Logikai kapcsolatok
Az összfunkció ábrázolása részfunkciókkal, kombinálás, variálás, mőszaki-gazdasági értékelemzés
Gyártáshelyes kialakítás, adatok kiegészítése, szerelési, szállítási elıírások, adatok ellenırzése
Fizikai hatáskapcsolatok
Gyártási dokumentáció
107
2. sz. Melléklet: A BOSCH terméktervezési folyamata
108
3. sz. Melléklet: Indítómotorok tervezıi katalógusa Csoportosítás
Fı rész
Kiegészítı jellemzık
Alapváltozat
Hajtófogaskerék Nyomatékkapcsolódásának módosítás módja
Villamos forgórész
1
2
4
Inerciarendszerő
3
Szabadalom 3
Soros 1 gerjesztéső
Egyszerő, csekély karbantartás, olcsó gyártás és javítás
Nagy dinamikus mechanikai igénybevétel, rövid élettartam
[S18],[S37]
Soros 2 gerjesztéső
Alacsony gyártási költség, kevés villamos rész
Bonyolult mechanizmus, mőködtetésébıl az emberi tényezıt nem lehet kizárni
[S7],[S9],[S14], [S26],[S46]
Soros gerjesztéső, állandó3 mágnes gerjesztéső
Lágy indítási folyamat, egyszerő vezérlés
Mágneskapcsoló meghibásodása- [S10],[S13],[S20], kor a motor [S52],[S56],[S57], mőködésképtelen [S58][S59],[S70]
Soros gerjesztéső, 4 állandómágnes gerjesztéső
Súlycsökkenés, nagyobb nyomaték
Bonyolultabb szerkezet, nagyobb megmunkálási pontosság, dinamikai kiegyensúlyozás szükséges
Soros Belsı áttételen gerjesztéső, keresztül, állandó5 fogaskerékpárral mágnes gerjesztéső
Kisebb méret, egyszerőbb szerkezet
Plusz alkatrész a tengelyelrendezés miatt, [S37] hosszirányú méretnövekedés
Indítómotorok
Villamos jellemzık változtatásával
Csúszófogaskerekes Belsı áttételen Elektromágneses keresztül, kb mőködtetéssel típusú hajtómővel
Nr. 1
Hátrány 2
Tehetetlenségi nyomaték által
Mechanikus mőködtetéssel
Elıny
[S1],[S3],[S8], [S12],[S15],[S19], [S21],[S22],[S23] [S24],[S25],[S27], [S28],[S31],[S42], [S43],[S47],[S48], [S49],[S53],[S63], [S64],[S69],[S71]
109
4. sz. Melléklet: Funkcióstruktúra
110
5.sz. Melléklet: Indítómotorok megoldás változatainak tervezıi katalógusa
111
6.sz. Melléklet: H-H és F-H típusú mozgásátalakítók H-H típusú mozgásátalakítók [24]
( H − H )m
( H − H )f
( H − H )m
( H − H )m
( H − H )f
( H − H )f
l
nl
l
nl
nl
nl
F-H típusú mozgásátalakítók [24]
( F − H )p
( F − H )m
( F − H )m
( F − H )m
( F − H )m
( F − H )p
l
nl
l
nl
nl
nl
112
7.sz. Melléklet: A kiválasztott motorok paraméterei
Gyártó
Mabuchi
Maxon
Johnson
Méret dxl [mm x mm]
Típus
Üresjárati fordulatszám n0 [1/min]
Névleges nyomaték Mn [Nm]
Tartó nyomaték Mt [Nm]
Teljesítmény P [W]
RS-550PC7524
20600
0,0494
0,421
93,8
38,5x75
RS5405SH -5045
17500
0,0318
0,230
50,1
35,8x67
EC-32118891 brushless
15000
0,0375
0,428
80
32x114
EC-40167176 brushless
10300
0,107
0,985
120
40x105
EC-45136202 brushless
9770
0,168
1,59
150
45x144
EC-max30-272762 brushless
7990
0,0624
0,381
60
30x99
EC-40max283866 brushless
8020
0,0851
0,466
70
40x96
RE-40148866
6920
0,0949
1,68
150
40x106
HC683LG001
15694
0,04886
0,4
164,4
35,8x85
HC685LG005
25800
0,04359
0,284
191,2
35,8x81
HC875P001
21000
0,09697
0,623
342
42,2x100
HC987LG001
9323
0,13
1,24
302,6
51,9x100
113
8.sz. Melléklet: Az új kapcsolómechanizmus megoldásváltozatai Nr.
Megnevezés
1.
Hengeres fogaskerékhajtás (egyenes, ferde fogazat)
2.
Kúpkerékhajtás (egyenes, ferde, ívelt fogazat)
3.
Csigahajtás (hengeres, globoid csigahajtás)
4.
Kúpkerékhajtás+ Hengeres fogaskerékhajtás
Elvi, egyszerősített kinematikai vázlat
Megvalósítható áttétel
1/20
1/6
3
i2 i1
114
5.
Kúpkerékhajtás+ Kúpkerékhajtás
i2 i2
6.
Csigahajtás+ Hengeres fogaskerék hajtás
i3 i1
115
