VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

NÁVRH ZAŘÍZENÍ PRO ZATĚŽOVÁNÍ VSTŘIKOVACÍCH ČERPADEL SYSTÉMU COMMON RAIL COMMON RAIL PUMP LOAD DEVICE DESIGN

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

BC. MARTIN CHROMÝ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

ING. PAVEL RAMÍK

ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA

ABSTRAKT Cílem této diplomové práce je předběžný návrh zkušebního zařízení na testování vstřikovacích čerpadel systému Common Rail pomocí radiálního zatížení hnacího hřídele. Práce přináší stručný přehled konstrukčních řešení soudobých čerpadel tohoto systému, na který následně navazuje návrh zařízení.

KLÍČOVÁ SLOVA Zkušební stanice, Common Rail, Vstřikovací čerpadlo

ABSTRACT The aim of this thesis is a preliminary draft of test equipment for testing fuel injectors Common Rail system with the drive shaft radial loading. The work presents a brief overview of the contemporary designs of the pump system, which then leads on equipment design.

KEYWORDS Test Bench, Common Rail, Injection pump

BRNO 2012

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE CHROMÝ, M. Návrh zařízení pro zatěžování vstřikovacích čerpadel systému Common Rail. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 80 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Pavel Ramík.

BRNO 2012

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Pavla Ramíka a s použitím literatury uvedené v seznamu.

V Brně dne 25. května 2012

BRNO 2012

…….……..………………………………………….. Martin Chromý

PODĚKOVÁNÍ

PODĚKOVÁNÍ Poděkování věnuji panu Ing. Pavlu Ramíkovi za jeho obětavou pomoc, cenné rady, připomínky a návrhy při zpracovávání diplomové práce. Dále chci poděkovat rodičům za podporu při studiu na vysoké škole a všem, kteří mě pomáhali během tohoto studia. Poslední dík, je věnován pánům Pešlovi, Čápovi a Šlechtovi, za jejich obětavé snahy mi pomoci s návrhem a ochotou odpovídat na mé dotazy.

BRNO 2012

OBSAH

OBSAH Úvod ........................................................................................................................................... 9 1.

Vývoj komponent naftového motoru ................................................................................ 10 1.1

Vznětový motor ......................................................................................................... 10

1.1.1 1.2

Technický přehled .............................................................................................. 10

Common Rail ............................................................................................................. 11

1.2.1

Vývojový přehled ............................................................................................... 12

1.2.2

Popis systému ..................................................................................................... 12

1.2.3

Označení systému ............................................................................................... 13

1.3

Generační přehled systému ........................................................................................ 14

1.3.1

První generace .................................................................................................... 14

1.3.2

Druhá generace ................................................................................................... 14

1.3.3

Třetí generace ..................................................................................................... 14

1.3.4

Čtvrtá generace ................................................................................................... 14

1.4

Vysokotlaké vstřikovací čerpadlo .............................................................................. 16

1.4.1

Účel čerpadla ...................................................................................................... 16

1.4.2

Přehled vysokotlakých čerpadel systému Common Rail ................................... 16

2.

Specifikace testovacího zařízení ....................................................................................... 19

3.

Studie možných řešení ...................................................................................................... 20

4.

Deformační analýza hřídele vstřikovacího čerpadla ........................................................ 21 4.1

Vytvoření CAD modelu ............................................................................................. 21

4.2

Vytvoření výpočtové sítě ........................................................................................... 23

4.3

Provedení deformační analýzy................................................................................... 24

5.

Výpočet setrvačných sil .................................................................................................... 30

6.

Návrh zkušební stanice ..................................................................................................... 31

Závěr ......................................................................................................................................... 32 Seznam použitých zkratek a symbolů ...................................................................................... 35

BRNO 2012

8

ÚVOD

ÚVOD Úkolem této práce je provést studii a pomoci s návrhem nové jednotky pro testování vstřikovacích čerpadel systému Common Rail. Čerpací jednotka, přesněji pohonná hřídel, bude namáhána radiálně, poměrně vysokými silami s vysokou frekvencí. Motivací ke zhotovení práce byl vznik závad na vstřikovacích čerpadlech, způsobený silami vznikajícími v pohonném rozvodu čerpadla. Z hlediska stoupajících nároků na výkon a životnost čerpadla, je nutné tyto závady eliminovat. Z ekonomického hlediska stojí nejméně financí odstranění závady přímo při návrhu vstřikovací jednotky. Při pozdějším odstraňování závad v provozu, rostou náklady exponenciálně. Díky tomuto faktu jsou prováděny ve stále větší míře provozní testy. Testy dělíme z hlediska jejich délky trvání na dlouhodobé a krátkodobé. Dlouhodobé testy jsou prováděny, ve většině případů, na zkušebních stanicích. Krátkodobé jsou pak prováděny přímo na vozech v určitých předepsaných zkušebních režimech. Čerpací jednotky jsou testovány na životnost, způsob mechanického porušení a další vlastnosti, které ovlivňují provoz čerpadla. Díky těmto zjištěným parametrům dochází ke zpětným úpravám návrhu a tím se eliminují chyby vzniklé při vývoji. Tato práce pojednává o návrhu zařízení pro dlouhodobý test.

BRNO 2012

9

VÝVOJ

1. Vývoj komponent naftového motoru 1.1

Vznětový motor

Vznětový motor v poslední době značně roste v oblibě motoristů. Pro přehled, z 169 236 zaregistrovaných automobilů, bylo vybaveno 96 942 benzínovým motorem a 67 681 motorem naftovým. Zbytek vozidel bylo vybaveno pohonem na jiné bázi paliva. Z čehož plyne, že 40% zaregistrovaných vozů, je vybaveno tímto typem motoru a to je nezanedbatelný podíl. Proto bych vás rád seznámil, alespoň zběžně, se stručným historickým vývojem tohoto typu motoru. 1.1.1 Technický přehled Historie motoru sahá do roku 1883, kdy Rudolf Diesel, tuto dobu působící v Německém Augsburgu, sestavil první prototyp. Účinnost se pohybovala okolo 26%, což byl na tehdejší dobu přelomový výsledek. Technologie parních strojů, nedosahovala ani polovinu tohoto výkonu. Konstrukce motoru se vyznačovala nechlazeným válcem. Dalším stupněm vývoje, byl nový prototyp motoru, sestaven roku 1897. Jednotka je k vidění na Obr. 1. Byla uzpůsobena ke spalování arašídového oleje, tehdy hojně dostupného paliva. Roku 1898 byla představena na veletrhu ve Francii. Toto řešení získalo patent 27.2 roku 1892. Účinnost vzrostla na 32%. Na přelomu století jednotky trpěly velkou zástavbovou náročností a hmotností. Tato skutečnost bránila k jejich využití v osobních vozech. Velké pozitivum, však byla nízká spotřeba, která předurčovala jednotky pro pohon strojů v továrnách, kde pracovaly jako stacionární. Dalším využití probíhalo, na železnici jako trakční moty a v lodním průmyslu, pro pohon lodí. Roku 1911 byla v Kodani spuštěna na vodu zaoceánská loď Selandia. Byla vybavena dvěma čtyřtaktními Dieselovými motory o výkon 1250 hp, je k vidění na Obr. 2.

Obr. 1 - Dieselův motor z roku 1893 [1]

Obr. 2 - Loď Selandia z roku 1911 [2]

Ukončení vývoje motoru Robertem Dieselem, proběhlo roku 1913, kdy zemřel. Okolo jeho smrti stále panují určité nesrovnalosti a mýty, údajně měl přepadnout přes palubu zaoceánské lodi při plavbě. Jeho portrét můžeme vidět na Obr. 3.

BRNO 2012

10

VÝVOJ

Velkým bodem ve vývoji jednotky byl rok 1920. Projektu se ujal Clessie L. Cummins, který byl najat investičním bankéř Williamem Irwinem Glantnem. Ten koupil výrobní práva na dieselový motor. Cummins provedl významné změny v konstrukci, které umožnili nasazení podávacího čerpadla. To bylo schopno řídit množství paliva a délku jeho aplikace. Konstrukce se tímto stala kompaktnější a lehčí. První prototyp motoru, který svými rozměry umožnoval užití v osobních vozech, byl představen v letech 1923-1924 na veletrhu motorů v Berlíně. V roce 1936, využil této jednotky Mercedes Benz, který ji zabudoval do automobilu. Jednalo se o typ 260D Benz. Výkon tohoto vozu dosahoval 33kW, k vidění na Obr. 4.

Obr. 3 - Rudolf Diesel z roku 1883 [3]

Obr. 4 - Mercedes Benz 260D z roku 1936 [4]

Tímto bodem bych uzavřel tento historický nástin.

1.2

Common Rail

Tento typ vstřikovacího systému je určen pro vznětové motory s přímým vstřikem nafty. Jedná se o v dnešní době nejrozšířenější systém, který je používaný pro tento typ aplikací. Svou oblibu si získal díky své vysoké variabilitě, vysokým vstřikovacím tlakům, účinností spalování a nízkou produkcí emisí. Na Obr. 5 níže, vidíte starší generaci tohoto systému od firmy DELPHI.

Obr. 5 - Systém Common-Rail od firmy DELPHI [5]

BRNO 2012

11

VÝVOJ

1.2.1 Vývojový přehled Otcem první myšlenky tohoto systému byl Robert Huber, který se narodil ve Švýcarsku. První prototyp byl vyroben koncem 60 let minulého století jeho osobou. Toho projektu se posléze ujala Spolková vysoká technická škola v Zurychu, která pokračovala v létech 1976 až 1992 v jeho zdokonalování. Po roce 1992, však na pár let vývoj technologie ustal. Návratem do hry byla polovina 90 let, kdy technologii od univerzity převzala a firma Denso, v čele s doktory Shohei Itoh a Masahiko Mijaki, kteří upravili systém tak, že byl použit pro vstřikování paliva do vznětových motorů nákladních vozů. Prvním použitelným systémem pod označením ECD-U2 Common Rail, byl vybaven závodní automobil Hino Raising Ranger. Toto vozidlo se zúčastnilo Rallye Dakar, kterou v dané kategorii zvítězil, Obr. 6. Na následném vývoji systému se podílely firmy jako Magneti Marelli, Výzkumné centrum Fiat a Elasis.

Obr. 6 - Hino Raising Ranger z roku 1991 [6]

Obr. 7 - Automobil Alfa Romeo 156 [7]

Patenty na tuto technologii, zakoupila roku 1993 německá firma Robert Bosch GmbH. Pokračovala ve výzkumu, který umožnil tento systém uvést do sériové výroby. V roce 1997 přišly na trh první modely osobních automobilů. Nejprve 1. října Alfa Romeo 156 1.9 JTD, kterou můžete vidět na Obr. 7 a později i Mercedes-Benz E 320 CDI, Obr. 8.

Obr. 8 - Mercedes-Benz E320 CDI [14]

1.2.2 Popis systému Skládá z nízkotlaké a vysokotlaké části. Vysokotlaká část, zpravidla obsahuje vysokotlaké čerpadlo, které je schopné dodávat konstantní tlak, nezávislý na otáčkách klikové hřídele. Vysokotlakého potrubí, které má za úkol dopravit naftu do tlakového zásobníku,

BRNO 2012

12

VÝVOJ

označovaného jako Rail. Odtud je nafta distribuována do jednotlivých vstřikovačů, které jsou řízeny řídící jednotkou. Obr. 9

Obr. 9 - Schéma vysokotlaké části vstřikovací soustavy Common-Rail [8]

Nízkotlaká část obsahuje palivovou nádrž, pro uchování dostatečné zásoby paliva, hrubý filtr paliva, podávací palivové čerpadlo, hlavní palivový filtr. Nezbytnou součástí soustavy je také nízkotlaké palivové potrubí a zpětné potrubí. Často bývá systém doplněn o chladič paliva, který je umístěn ve zpětné větvi, Obr. 10. Tento popis je velice zjednodušen, protože určité generace systémů se konstrukčně liší. Na dvou obrázcích níže jsou provedeny schématické náčrty.

Obr. 10 - Schéma nízkotlaké části vstřikovací soustavy Common-Rail [8]

1.2.3 Označení systému Tento systém je hojně využíván u osobních a nákladních automobilů. Při tvorbě značení nedošlo k dohodě mezi výrobci, a proto má každý své vlastní označení. Z tohoto důvodu,

BRNO 2012

13

VÝVOJ

může méně zkušený uživatel, mít problém se orientovat ve značení. Níže uvedená tabulka, popisuje onačení Common Rail, u nejznámějších výrobců.

Alfa Romeo Audi BMW Citroen Daewoo Fiat Ford Honda Hyundai Chevrolet Chrysler

JTD TDI D HDi VCDi JTD TDCi i-CTDi CRDi VCDi CRD

Jaguar Jeep Iveco Isuzu Kia Lancia Mazda Mercedes Mitsubishi Nissan Opel

CDI CDI JTD iTEQ CRDi JTD MZR-CD CDI DI-D dCi CDTi

Peugeot Renault Scania Seat SsangYong Subaru Škoda Tata Toyota Volkswagen Volvo

HDi dTi, DCi XPI TDI XDi TD TDI DICOR D-4D TDI D

Tab. 1 - Označení Common rail systémů u automobilek [9]

1.3

Generační přehled systému

Systém je vyvíjen delší řádku let, proto zde uvedu jen lehký generační nástin. Dále provedu specifikaci odlišnosti jednotlivých generací systému. Tzn. dosažený tlak a změna konstrukce. 1.3.1 První generace Systém je specifický tím, že ke své funkci využíval vstřikovače s elektromagnetickými ventily. Vznikl roku 1997. Tlaky, při kterých docházelo ke vstřiku paliva do válce, se pohybují v rozmezí 1400 barů. Tento tlak umožnil vysokou úsporou paliva oproti řešení konkurence. Vstřik paliva probíhal pomocí předstřiku paliva a hlavního vstřiku. 1.3.2 Druhá generace Druhá generace byla zdokonalenou generací první. Ke vstřikování používala stejné vstřikovače. Došlo ke zvýšení vstřikovacího tlaku na 1600 barů. Změně způsobu vstřiku paliva, k nynějším dvěma vstřikům paliva, přibyl ještě třetí tzv. dostřik. Tato generace se dostala do provozu v roce 2001. Obr. 11 1.3.3 Třetí generace Soustava využívá ke vstřikování paliva piezoelektrických vstřikovačů, které umožnily přesnější řízení množství a dobu vstřiku. Vše se pozitivně projevuje na spotřebě motoru a na tvorbě emisí. Navýšení vstřikovacích tlaků na 1600 – 2000 barů. Uvedena v roce 2004. 1.3.4 Čtvrtá generace Zavedena do provozu roku 2008. Tlak se pohybuje okolo 2500 barů, který je vyvozen hydraulickým násobičem. Násobič je umístěn v piezoelektrickém vstřikovači. Došlo k úpravě

BRNO 2012

14

VÝVOJ

počtu vstřiků, čímž se dosáhlo efektivnějšího rozprášení paliva do spalovacího prostoru. Lepší hoření paliva a snížení emisí.

Obr. 11 - Systém Common Rail druhé generace pro čtyřválcový motor [10]

Obr. 12 - Systém Common Rail třetí generace s dvojitým regulačním systémem [10]

BRNO 2012

15

VÝVOJ

1.4

Vysokotlaké vstřikovací čerpadlo

Vysokotlaká čerpadla prošla za svoji dobu používání velkým vývojem, který byl podmíněn požadavky spotřebitele. Provedu popis jednotlivých generací čerpadel, vyráběných společností Bosch Diesel s.r.o. 1.4.1 Účel čerpadla Jednotka má za úkol v systému vytvořit tlak ve vysokotlaké větvi, který se udržuje na předepsané úrovni v zásobníku Rail. Tvoří častokrát pomyslnou hranici mezi nízkotlakou a vysokotlakou částí systému. V některých soustavách bývá umístěno čerpadlo podávací. To bývá nejčastěji zubové, které je s vysokotlakým sdruženo v jednom těle. Jednotka je poháněna od klikového hřídele v poměru 1:2, nebo 2:3. Převod je volen dle zatížení a konstrukci daného čerpadla. Jednotka dodává neustále konstantní tlak, který je nezávislí na otáčkách klikového hřídele. 1.4.2 Přehled vysokotlakých čerpadel systému Common Rail 1.4.2.1

Vysokotlaké čerpadlo CP1

Jednotka se skládá z 3 radiálních pístů pootočených vůči sobě o 120°. Pohon je zajištěn pomocí výstředníku z klikové hřídele a je navržen tak, aby na jednu otáčku klikové hřídele provedl píst 3 krát vratný pohyb.

Obr. 13 - Příčný řez čerpadla CP1 [10]

Součástí každého pístu je sací a výtlačný ventil, který umožnuje v případě nízkého zatížení, vyřadit daný píst z provozu. V případě odpojení je neustále otevřen sací ventil a palivo odtéká odpadním potrubím zpět do nádrže. Čerpadlo je mazáno naftou. 1.4.2.2

Vysokotlaké čerpadlo CP1H

Jedná se o inovaci předchozí verze. Došlo k úpravě materiálů použitých na čerpadle. Vylepšení pohonného mechanizmu, čímž se dosáhlo zvýšení produkovaného tlaku na 1600 barů. Dosáhlo se zvýšení účinnosti čerpadla.

BRNO 2012

16

VÝVOJ

1.4.2.3


Provozní tlak této generace je 1400 barů. Je určena výhradně pro nákladní automobily. Jedná se dvou pístové řadové čerpadlo, které je mazáno olejem. Obr. 14

Obr. 14 - Vysokotlaké čerpadlo CP2 [11]

1.4.2.4


Tato jednotka je určena pro osobní a nákladní automobily. Výrazná změna konstrukce, v podobě odlití těla čerpadla z jednoho kusu. Proběhla úprava mechanizmu, kde došlo ke změně polohy zdvihátka, mezi píst a výstředník, z důvodu snížení zátěže daných součástí. Produkovaný tlak 1800 barů. 1.4.2.5


Pracovní tlak 2000 bar. Je užito pro 4 generaci systémů Common-Rail. Mazání probíhá pomocí paliva. Konstrukční řešení této generace se vyznačuje tím, že kliková hřídel a vačka v čerpadle se otáčejí v poměru 1:1, což umožnuje dva čerpací zdvihy na jednu otáčku. Jednotka se vyrábí ve dvou provedeních. Liší se podle počtu osazení tlakových hlav. Buď tedy jedno hlavové, nebo dvou hlavové, Obr. 15.

BRNO 2012

17

VÝVOJ

Obr. 15 - Vysokotlaké čerpadlo CP4 [11]

BRNO 2012

18

SECIFIKACE TESTOVACÍHO ZAŘÍZENÍ

2. Specifikace testovacího zařízení V této kapitole je provedena přesná specifikace zatížení, které má vyvolávat navrhované zařízení, včetně číselného a grafického zadání.

BRNO 2012

19

STUDIE MOŽNÝCH ŘEŠENÍ

3. Studie možných řešení V této kapitole jsou popsány možné způsoby jak realizovat pohon zkušební stanice.

BRNO 2012

20

DEFORMAČNI ANALÝZA HŘÍDELE VSTŘIKOVACÍHO ČERPADLA

4. Deformační analýza hřídele vstřikovacího čerpadla Před samotným návrhem zatěžovacího zařízení, jsem provedl pevnostní analýzu testovaného vstřikovacího čerpadla. Zadavatel upřesnil typ čerpadla a dodal neúplnou, ale dostačující výkresovou dokumentaci. Jedná se o typ CP4, které je osazováno výhradně do velkých osobních vozů, popřípadě dodávek, které jsou zaměřeny spíše na trh v USA. V České republice, v době tvorby této práce, byl registrován jediný vůz, který můžete vidět na Obr. 16. Jde o Ford F650, který slouží jako vozidlo pro reklamní akce.

Obr. 16 – Ford F650 [21]

4.1

Vytvoření CAD modelu

Pomocí výkresové dokumentace jsem vytvořil zjednodušené modely vhodné k následnému vytvoření výpočtové sítě. Jedná se o tělo čerpadla, které bývá vyrobeno ze slitiny hliníku, k vidění na Obr. 17. Dvou kluzných ložisek, vyráběných ze slitin bronzu, které jsou za provozu mazány čerpaným palivem, Obr. 18. Zatěžované hřídelky s vačkou, která je z ocele, Obr. 19. Příruby, která slouží k upevnění předního ložiska a usazení hřídelky do správné polohy. V rámci zjednodušení jsem vynechal šrouby pro její upevnění. Příruba je opět vyrobena ze slitiny hliníku, k vidění na Obr. 20. Poslední modelovanou součástí je zatěžovací člen, který je převzat z již existujícího hydraulického zatěžovacího zařízení. Člen je vyroben také z ocele, Obr. 21. Nakonec zde uvedu celkovou podobu již složené sestavy z předchozích dílců, která bude dále použita k následné tvorbě výpočetní sítě. Obr. 22 [22]

BRNO 2012

21


Obr. 17 – Zjednodušené tělo čerpadla

Obr. 18 – Model Ložisek

Obr. 19 - Hřídelka s vačkou

Obr. 20 - Zjednodušená přiruba

Obr. 21 - Zatěžovací člen

Obr. 22 - Sestava zjednodušené CP4

BRNO 2012

22


4.2

Vytvoření výpočtové sítě

Tvorbu výpočetní sítě i následný výpočet MKP jsem prováděl v programu ANSYS. [23] Provedl jsem import geometrie z CAD systému. Následovalo nadělení modelu, z hlediska lepší tvorby výpočtové sítě Obr. 23.

Obr. 23 - Nadělený model Proběhlo nadefinování typu materiálu a typu elementu k jednotlivým částem modelu a slepení jednotlivých dílců. Prvky použité pro tvorbu výpočetní sítě, byly Solid 92, pro části síťované volně, z hlediska menší deformace výpočetního elementu. Solid 95 pro Sweep. Při specifikaci materiálových vlastností, byly zadány pro ocel hodnoty pro EX 2.1E5 a PRXY 0.3. Pro hliník EX 68600 a PRXY 0.33. Výsledná síť je zobrazena na obrázcích níže.

Obr. 24 - Síť hřídel

BRNO 2012

23


Obr. 25 - Tělo čerpadla síť

Obr. 26 - Zatěžovací člen síť

4.3

Obr. 27 - Ložiska síť

Provedení deformační analýzy

Dále jsem přistoupil k samotnému výpočtu. Čerpadlo je ukotveno za tělo. Z čela je zamezen pohyb v ose z. V otvorech pro šrouby jsou zamezeny veškeré pohyby. Obr. 28

BRNO 2012

24


Obr. 28 - Čerpadlo okrajové podmínky Použil jsem makro vytvořené pro potřeby výuky, které simuluje zatížení v oku ojnice. Je potřeba zavést prvek Link 10, který nám bude tvořit prutovou náhradu, tzv. „ježek“. Ve vlastnostech prvku, musíme nastavit přenos tahu, nikoli tlaku. Dalším prvkem, který přidáme je nekonečně tuhý prvek MPC 184, který nám spojí středy prutových náhrad makra. Přes jeho střed bude umístěna zatěžovací síla. K prvku Link 10, se dále musí deklarovat nová reálná proměnná, s průřezem 4 mm. Nyní se vrátím ke zmiňovanému makru, které má za úkol spojit selektované nody na obvodu plochy, která tvoří kontaktní plochu ojnice a ojničního čepu. Dalším jeho úkolem, je vytvořit v rovině bodů středový node, který se nachází ve středu kružnice a pomocí prvku Link 10 je propojit do tvaru „ježka“. Toto se opakuje ve všech selektovaných nodech. Při tomto vypočtu, simuluji kontakt ložiska na zatěžovacím členu, což je velice podobný případ jako u ojnice, proto jsem jej použil. Náhled makra je zobrazen na Obr. 29. Dalším krokem k vytvoření zatížení, je spojit středové nody vzniklých „ježků“ pomoci prvku MPC 184 a vytvořit spojnici, která je ve středovém nodu zatížena silou 6500 N. Ježek je vytvořen jen pod plochou ložiska. Na modelu byly rozděleny plochy pod ložiskem na poloviny.

BRNO 2012

25


Obr. 29 - Makro Ježek

Obr. 30 – Středově umístěná náhrada – deformované / nedeformované

BRNO 2012

26


Obr. 31 - Středově umístěná náhrada – počáteční podmínky, zatížení

Obr. 32 - Středově umístěná náhrada – pevnostní analýza BRNO 2012

27


Na výše uvedených obrázcích, jsem provedl řešení s prutovou náhradou styku ložiska a zatěžovacího členu, které mělo za úkol simulovat zatížení, které působí na již vytvořeném statickém zatěžovacím zařízení. Z výsledku vypočtu je zřejmé, že maximální napětí je 243 MPa. Nachází se těsně před prvním ložiskem. Na základě informací od zadavatele usuzuji, že u již vyráběné čerpací jednotky může takto dojít k únavovému opotřebení. Nejdůležitějším parametrem, který jsem získal, je hodnota posunu jednotlivých bodů sítě, která má hodnotu v místě největšího posuvu hodnotu 0,14 mm. Oproti skutečnému stavu model nezahrnuje vůli v ložiscích a vliv mazací vrstvy, proto jsou skutečně zjištěné hodnoty větší. Příslušné hodnoty byly využity při návrhu zařízení například, pro volbu vhodného ložiska. V nástinu možných řešení je uvedeno zařízení využívající k zatěžování řemene, proto jsem provedl simulaci tohoto zatěžování. Jedná se o zjednodušený model. Byl vytvořen posunutím středu prutové náhrady tvořenou prvky MPC 184 o 200 mm v ose níže.

Obr. 33 - Náhrada posunuta - deformovaná / nedeformovaná Z výpočtu plyne opět získaný posun 0.15 mm a napětí 248 MPa. Došlo k navýšení maximální hodnoty napětí o 3MPa, posun zůstal téměř stejný. Tento výpočet podává obdobné výsledky jako předchozí.

BRNO 2012

28


Obr. 34 - Náhrada posunuta – počáteční podmínky, zatížení

Obr. 35 - Náhrada posunuta – pevnostní analýza

BRNO 2012

29

VÝPOČET SETRVAČNÝCH SIL

5. Výpočet setrvačných sil Při dřívějších návrzích, provedených u zadavatele, na které jsem navazoval, nebyl při výpočtu potřebných sil akčních členů uvažován vliv setrvačných hmotností a tedy i setrvačných sil. Považoval jsem nezbytné oprávněnost tohoto zanedbání ověřit. Výsledkem je proveden v této kapitole.

BRNO 2012

30

NÁVRH TESTOVACÍ STANICE

6. Návrh zkušební stanice V této kapitole je podrobně zpracovaný návrh zkušební stanice.

BRNO 2012

31

ZÁVĚR

ZÁVĚR V diplomové práci je proveden návrh zkušební testovací stanice pro radiální zatěžování vstřikovacích čerpadel systému Common Rail. Postup konstrukčních prací byl značně ovlivněn postupně obdrženými změnami a upřesněnými požadavky zadavatele, jehož následkem bylo nutno většinu konstrukčních prací na návrzích provádět na základě změněných požadavků v závěrečném období času vyhrazeného pro zpracování práce. Při vypracovávání rešeršního oddílu práce jsem zjistil, že podobné testovací zařízení nebylo ještě vyvíjeno a jedná se tedy o ojedinělý projekt. Zvolil jsem tedy jednu z možných cest, dle mého názoru nejlepší, jak tuto stanici navrhnout. Před uvedením prototypu do výroby je třeba vyhotovit podrobnou výkresovou dokumentaci, která nebyla obsahem mé práce a provést pevnostní vypočet nejvíce namáhaných dílců. Dále je třeba ověřit použití motoru pro mnou navrhovaný účel. Před uvedením prototypu do provozu je nutné provést jeho kompletní otestování stanice.

BRNO 2012

32

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] [2] [3] [4]

[5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

[14] [15] [16]

[17] [18] [19]

[20] [21]

DIPITY: IINVETIONS. [online]. [cit. 2012-05-13]. Dostupné z: http://cdn.dipity.com/uploads/events/c224c33927e2e1fa71fd028afcebfc31_1M.png MARINEINSIGHT [online]. [cit. 2012-05-13]. Dostupné z: http://www.marineinsight.com/wp-content/uploads/2012/02/motorship1.jpg WIKIPEDIA. Rudolf Diesel. Wikipedia. [Online] 1 1, 1999. [cit. 1 2012, 1.] Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Diesel RIEGLER, P. Mercedes introduces 260D. The Diesel Driver. [Online] 1 1, 1999. [Cit. 8 1, 2011.] Dostupné z: http://www.thedieseldriver.com/2009/11/mercedes-introduces260d-new-for-1936/. DELPHI. Common Rail Delphi. Delphi-spb.ru. [Online] 1. 1 1998. [Cit. 1. 12 2011.] Dostupné z: http://www.delphi-spb.ru/services/common-rail-delphi.html HINO. Hino Raising Ranger finishes 1st, 2nd & 3rd for the first time ever. HinoGlobal. [Online] 1991. 5 5. [Cit. 1. 11 2011.] Dostupné z: http://www.hinoglobal.com/dakar/racereports/racereports1997.html. WIKIPEDIA. Alfa Romeo 156. Wikipedia.org. [Online] 1 1, 1999. [cit. 1 2012, 1.] Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Alfa_Romeo_156_Selespeed.jpg CHLUP M. Systém vstřikování nafty s tlakovým zásobníkem Common Rail. Praha : Robert Bosch odbytová spol. s.r.o. , 1999. 80-902585-6-5. WIKIPEDIA. Common rail. Wikipedia. [Online] 1 1, 1999. [cit. 1 2012, 1.] Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Common_rail. HANAK,S. Systém vstřikování s talkovým zásobníkem Common Rail pro vznětové motory. Praha : Robert Bosch odbytová spol. s.r.o., 2005. 80-903132-7-2. BOSCH. Automobilová technika - Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common. Praha : Bosch, 2010. PESL,R., Dynamic radial forces on Endurance Test Specimen of Diesel. [PDF] Jihlava : Bosch, 2012. 20120112. SHARDA. Seladia: The First Motor Ship in The World. Marine in sight. [Online] 2 2, 2010. [Cit. 1 2012, 1.] Dostupné z: http://www.marineinsight.com/marine/marinenews/featured/selandia-the-first-motor-ship-in-the-world/. SKF. [Online] 1. 1 2012. Dostupné z: http://www.skf-bearing.cc/SKFbearings/SKF_1213_ETN9_8096.html. KISTLER. Force sensor, 10 kN. [Online] 1. 10 2011. Dostupné z: http://www.kistler.com/it_it-it/13_Productfinder/App.9204B/Force-sensor-10-kN.html. KISTLER. Quartz Force Link, ±10 kN. [Online] 1. 10 2011. Dostupné z: http://www.kistler.com/sk_sk-sk/13_Productfinder/App.9321B/Quartz-Force-Link-10kN.html. SKF. [Online] 1. 1 2012. Dostupné z: http://www.skf-bearing.cc/SKFbearings/SKF_1213_ETN9_8096.html. SKF.Magnetická ložiska. [Online] 1. 1 2012. Dostupné z: http://www.skfbearing.cc/SKF-bearings/SKF_1213_ETN9_8096.html. NEXLINE. High-Force Ceramic Linear Drive for Long-Range Nanopositioning. [Online] 1. 1 2012. Dostupné z: www.physikinstrumente.com/ en/news/fullnews.php?newsid=165. VUES Brno s.r.o., SYNCHRONNÍ LINEÁRNÍ MOTORY, [Online] 1. 1 2012. Dostupné z http://www.vues.cz/linearni-motory.html. FORD, F650, [Online] 1. 1 2012. Dostupné z http://www.f650.e-blog.cz/

BRNO 2012

33

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE

[22] Pro/ENGINEER Resource Center [online], Parametric Technology Corporation, 2011, 27.9.2011. Dostupné z: http://www.ptc.com/community/landing/wf5.htm. [23] Release 12.1 Documentation for ANSYS, ANSYS Inc., Canonsburg, USA 2011 [24] SLAVÍK J., Kinematika, CERM, s.r.o. Brno, Brno 2005, 80-214-2952-6 [25] VRBKA J., Pružnost a pevnost 1, CERM Brno s.r.o., Brno 2004, 80-214-2592-X [26] MAYR, Roba DS-40, [Online] 1. 1. 2012. Dostupné z http://www.mayr.com/en/products/shaft-couplings/roba-ds-servo/ [27] VÁVRA P., Strojnické tabulky, Scientia spol. s.r.o., Praha 1999, 80-7183-164-6

BRNO 2012

34

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ A

[mm]

amplituda

a

[m/s2]

zrychlení

f

[Hz]

budící frekvence

Fg

[N]

gravitační síla

Fp

[N]

požadovaná síla motoru

Fs

[N]

setrvačná síla

m

[kg]

hmotnost

T

[f-1]

perioda

v

[m/s]

rychlost

x

[m]

poloha

ω

-1

[s ]

BRNO 2012

úhlová rychlost

35

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents