KONSTRUKCE SKŘÍNĚ PRŮMYSLOVÉ PŘEVODOVKY SVOČ – FST 2009 Tomáš Raiskup Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Prvním cílem této práce je důkladná analýza stávající vyráběné převodovkové skříně, ve které je jedno soukolí – šnek a globoidní šnekové kolo. Druhým cílem je návrh nové skříně a optimalizace (z různých hledisek, které považuji za důležité) stávající skříně a zároveň vyhotovení stejných analýz, aby bylo dosaženo konkrétních porovnání. Do balíčku analýz jsem zařadil způsob výroby (technologie lití, obrábění, montáže), s tím související ekonomické porovnání, pevnostní výpočet, tuhostní výpočet, hmotnostní porovnání, porovnání materilálu a jeho zpracování. KLÍČOVÁ SLOVA konstrukce, převodovková skříň, pevnostní, tuhostní výpočet, technologie lití, ÚVOD Zde v tabulce jsou uvedené základní parametry šnekové převodovky, kterými disponuje stávající varianta a které jsou minimálními předpokládanými hodnotami pro převodovou skříň novou. Protože tato skříň je využívána pro více variant soukolí– tedy pro různé převody, otáčky a přenášené výkony, jsou tyto hodnoty pro návrh nové skříně n1=500 [min.-1] brány pouze jako minimální možné. Dalším uvažovaným d i n2 Mk2 P1 aspektem pro návrh je její další využitelnost pro modifikaci rozměrů. Z této ,,základní“ varianty budou odvozené další [min-1] [Nm] [kW] [%] větší/menší rozměry pro ložiska, jejích vzdálenosti a různé 30 17 254 0,62 72 osové vzdáleností šnekového kola a šneku. SPECIFIKACE STÁVÁJÍCÍHO ŘEŠENÍ Tvar skříně, materiál, prostředí Skříň je tvaru kopírující ozubení, má relativně silné stěny a nevyužívá potenciálu žebrávání. To se dnes všude hojně využívá k zvětšení tuhosti a zároveň je zde využitelné k lepšímu chladícímu účinku, pro zvětšení vnější plochy a tedy lepší sálání tepla do okolí. Použitým materiálem je slitina hliníku ( 424331.71). Zmíněná slitina hliníku má také značení AlSi10MgMn a je vhodná na složité a tenkostěnné odlitky vystavené střídavému namáhání. Nevýhodou je, že tento odlitek musí být vytvrzen na 70HB. Materiál nové skříně bude odvislí od nabídek sléváren. Na základě těchto vlastností materiálu musí být převodovka používána v chemicky nezávadném prostředí, v rozsahu teplot okolí 20 až +40°C, nevadí ji prašné ani vlhké prostředí, ale je nezbytně nutné dodržet, aby usazený prach nezhoršoval chlazení skříně. Způsob odlití, obrobení a povrchová úprava Skříň je vyrobena gravitačním litím do kokilové formy, která má mnoho dílů (5 vnějších částí a pískové jádro). Tato technologie limituje minimální tloušťkou stěny, která ze zde 6mm, což považuji za nadbytečné. Další omezení je zde v přídavcích na obrábění, které musí být také větší. Dle měření hmotností v Catii je rozdíl mezi odlitkem a obrobeným základním dílem skříně 0,389Kg, což při váze odlitku 1,94Kg odpovídá přibližně 20 procentům. Vzhledem ke skutečnosti, že se jedná o roční produkci této skříně (s různými variacemi soukolí) v počtu 5 000 ks,
Obrázek č.1: Stávající skříň
nebylo této části životního cyklu výrobku věnována dostatečná pozornost konstruktérů. Povrch skříně, který není obráběný, je otryskán. Způsob montáže a polohovatlnost Zde musíme rozlišit montáž ve výrobním závodě a montáž převodovky na místě použití, kterou si zákazník provádí sám. Nejprve z pohledu odběratele, ke kterému je dodávána smontovaná a naplněná olejem. Funkční obrobené plochy jsou chráněny konzervačním prostředkem proti korozi, který je před montáží nutno odstranit. Montáž je možná v několika pracovních polohách a provedeních. Polohy skříně a provedení jsou důležité kvůli uvažovaných možnostech použitého těsnění, hladiny oleje, umístění poloh šroubů pro vypuštění/doplnění oleje, změny přenosu sil od motoru a ložisek do patek či adaptéru. Převodová skříň má volitelné části jako jsou patky, příruby k montáži motoru a popřípadě jiné adaptéry. Jednotlivé díly jsou k sobě přišroubované. Patky umožňují polohovatelonost po 90° aniž by muselo dojít k otevření skříně. Bohužel to je na úkor složitosti forem a potřebnému obrábění dotykových ploch. Naopak výhodou je zaměnitelnost s jiným dílem (adaptérem), pro přidělání rovnou k poháněnému stroji.Využívá se zde ,,stavebnicového systému“. Montáž ve výrobním závodě je poměrně náročná záležitost, protože se zde musí korigovat veškeré tolerance, které jsou předepsané na výkresech (přesto, že jsou velice přesné), nakupovaná ložiska mají také samozřejmě svou toleranci a součet nepřesností je větší než přípustná vzájemná poloha ozubených kol. Musí být tedy možnost vypodložení planžetami u víčka tak, aby se nemuseli demontovat nalisovaná ložiska ze skříně, nebo dokonce z hřídele. Tento model vymezování polohy os je důležitý, protože se montuje globoidní kolo. PŘEDSTAVENÍ NOVÉ SKŘÍNĚ Základní filozofie vzniku nové převodovkové skříně • Snaha využít potenciálu žebrování • Jednoduchá forma (jen dva díly) • Co nejméně ploch na obrábění, malé přídavky • Tenkostěnný odlitek – tlakové lití (ekonomické kritérium) • Maximální vnější plocha – lepší odvod tepla do okolí • Snadná montáž • Snížení hmotnosti • Materiál bez tepelného zpracování Tvar skříně, materiál Skříň se skládá ze 3 částí, které jsou k sobě spojené samořeznými šrouby.
Obrázek č.3: Víčko nové skříně
Obrázek č.2: Nová skříň
Dvě velké části skříně jsou téměř stejné. Liší se pouze v místě víčka, které tam musí být kvůli montáži. Toto je řešeno vyměnitelnou částí formy. Skříň má tloušťku 3mm. V místě pod ložisek má 8mm, aby nedocházelo k deformacím a náklonu hřídelí. V místě šroubu u patek má 6mm. Celá skříň je bohatě žebrovaná kvůli zvýšení tuhosti, lepšímu rozložení napětí a zvětšení plochy pro sálání tepla do okolí. Samozřejmostí jsou otvory pro vypuštění/doplnění oleje. Tyto uzávěry se dají nahradit odvzdušňovacím šroubem, který si zákazník sám vymění až po zvolení polohy montáže. Materiál skříně je AlSi9Cu3, který má lepší vlastnosti než u současné převodovky a zároveň jednu podstatnou výhodu. Po tlakovém lití má tvrdost 80HB, tedy nemusí dojít k vytvrzování, což vede k zlevnění polotovaru. Tento materiál byl navržen po dohodě se slévárnou z jejího sortimentu hliníkových slitin. Způsob odlití, obrábění, ekonomická rozvaha Přestože se jedná v ideálním případě o roční produkci 5.000Ks skříní ročně, rozhodl jsem se podle grafu č.01 využít technologii tlakového lití. Tento způsob je výhodnější až od produkce 10 000Ks v porovnání s jinou technologií lití. Ale vzhledem k původní variantě je výhodnější již od cca 4.500Ks to znamená, že se úspora Obrázek č.3: Část nové skříně projeví již v prvním roce. Samozřejmě první vstupní investice je velice nákladná. Použití tohoto způsobu lití a tohoto konstrukčního uspořádání má za následek snížení hmotnosti z 2,87Kg (váha skříně, víčka a dvou patek) na váhu 2,43Kg to znamená 15% úspora materiálu.
porovnání variant - lití stará skríň
nová skříň lití pod talkem - složitá forma
lití pod tlakem - jednoduchá forma
gravitační lití do kokil
lití do písku
gravitační lití do kokil
1.200,00 zásadní hodnoty počtu kusů
1.113,60
životnost forem pro gravitační lití je 50.000 kusů odlitků proto u počtu 25.000 kusů sestav skříní dojde k navýšení nákladů (navá forma patky respektive skříně)
1.000,00 908,40
cena na kus [Kč]
800,00
624,30 630,00 600,00
566,00 521,70
400,00
534,00
518,00
514,80
529,20
516,53
513,20
343,87
337,20
427,20
417,20 350,90
545,93
377,20
339,25
cca330 367,20
328,35
200,00
257,33 231,68
cca328 232,86 212,34
329,72
329,54
329,06
328,77
209,36
216,55 199,45
196,16
183,93
183,34
173,67
190,71
0,00 2.500 je limitní dávka lití pod tlakem
5.000
10.000
20.000
25.000
27500
30.000
40.000
50.000
počet kusů převodovkové skříně
Graf č.1: Ekonomický rozbor technologie lití Zde u tohoto grafu se odkáži na svou diplomovou práci, kde je tento graf se vstupními tabulkami podrobně rozebrán. Jen okrajově bych chtěl zmínit, že minimální dávka je slévárnou určena na 2500Ks a životnost formy je 100
000Ks odlitků (použití dvou odlitků na jednu skříň). Současná skříň se vyrábí od roku 2002, tedy již 7 let. Předpokládám, že se ještě asi rok vyrábět bude. Vyrobí se tedy cca 40 000ks a u tohoto počtu by došlo ke snížení nákladu na polotovar více než o polovinu. Předpokládám, že u obrábění by došlo také k nepatrnému snížení nákladů, ale to už jen díky menším přídavkům na obrábění, které vzhledem k celku již nehrají tak výraznou roly. Povrch skříně, který není obráběný, je otryskán. Způsob montáže a polohovatelnost Způsob montáže zůstal v podstatě stejný a možnost polohovatelnosti jsem měl uveden ve specifikaci požadavků, který jsem dodržel. VÝPOČTY- OKRAJOVÉ PODMÍNKY, TUHOST, PEVNOST
Obrázek č.4: Silové účinky od soukolí
silové poměry šnek šnekové kolo [N] obvodová Ftm1 761,4 Ftm2 4 892,5 axiální Fxm1 -4 892,5 Fxm2 -761,4 radiální Frm1 1 927,5 Frm2 -1927,5 celková radiální Fr1 2 072,5 Fr2 5 258,5 normálná Fn 5 635,8 • • • •
Namáhání skříně od sil v soukolí Namáhání skříně od váhy a momentu od motoru Velikost buňky sítě: 1,5mm a maximální odchylka od tvaru skříně je 0,5mm Upnutí: vetknutí v místě šroubů na patkách
Okrajové podmínky Shodné pro obě varianty
Maximální napětí 30 MPa
Maximální napětí 18 MPa
Napětí Snížení o 12MPa Lepší rozložení
Maximální posunutí 0,07mm
Maximální posunutí 0,05mm
Deformace Nová skříň je tužší
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Chtěl bych vyzvednout především to, že se podařilo vyvinout novou převodovkovou skříň, která svými vlastnostmi předčí svého předchůdce a zároveň dojde k poměrně velké úspoře nákladů. Tuto práci považuji za přínosnou především z pohledu konstruování, kdy byl kladen důraz již při předvývoji na technologii výroby a na ekonomickou rozvahu. Zároveň zde je vidět moderní přístup u konstrukce odlitků. Na závěr bych se chtěl odvolat na svou diplomovou práci, jejíž termín odevzdání je 29.5.2009 a v níž je tomuto vývoji věnováno mnohem více prostoru. PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat nejen konzultantovi mé diplomové práce, kterým je Ing. Petr Hlaváč z firmy MBtech Bohemia, a vedoucímu, kterým je Doc. Ing. Jaroslav Krátký, Ph.D., ale také všem zaměstnancům Fakulty strojní, kteří nám předávali svoje zkušenosti.
