Miskolci Egyetem. Ph.D. értekezés. KÉSZÍTETTE: Nagy Lajos okleveles gépészmérnök. DOKTORI ISKOLA VEZETİ Dr. habil Tisza Miklós egyetemi tanár

Átírás

1 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, 014

2 Nagy Lajos SZEMÉLYGÉPJÁRMŐ INDÍTÓMOTOROK FEJLESZTÉSE Doktori (Ph.D.) értekezés Miskolc, 014

3 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

4 Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK... 4 TÉMAVEZETİK AJÁNLÁSA... 5 ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK... 6 ÁBRAJEGYZÉK... 9 TÁBLÁZATJEGYZÉK KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS BEVEZETÉS Irodalmi áttekintés, tudományos elızmények TERVEZÉSELMÉLETEK ÉS MÓDSZEREIK Klasszikus tervezéselmélet Napjainkban alkalmazott terméktervezési eljárások....3 Hazai tervezıi iskolák Célkitőzés MÓDSZERES GÉPTERVEZÉS ALKALMAZÁSA ELVI MEGOLDÁSOKRA A tervezési feladat megfogalmazása Funkcióstruktúra felállítása Megoldási elvek keresése, a megfelelı változatok kiválasztása A KAPCSOLÓMECHANIZMUS MODELLEZÉSE ÉS SZIMULÁCIÓJA Szerkezeti elemzés Elektrodinamikai modell Induktivitás meghatározása méréssel Elméleti megfontolások A mérés végrehajtása, mérési eredmények, kiértékelés Mérési és szimulációs eredmények ÚJ KAPCSOLÓMECHANIZMUS Szerkezeti felépítés Elektrodinamikai modell További lehetséges megoldások a vezérpálya görbe átviteli függvényére Motor kiválasztása az új mechanizmushoz Kiértékelés ÖSSZEFOGLALÁS Új tudományos eredmények összefoglalása Továbbfejlesztési lehetıségek SUMMARY NEW SCIENTIFIC RESULTS... 9 FELHASZNÁLT IRODALOM SZABADALMI HIVATKOZÁSOK PUBLIKÁCIÓK AZ ÉRTEKEZÉS TÉMÁJÁBAN MELLÉKLETEK

5 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 005-ben megfogalmazott az újonnan alapított Mechatronikai Tanszék felé. A tanszéki kutatásokba Nagy Lajos 005-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 A1, 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, Dr. Jakab Endre Témavezetı, c. egyetemi tanár Dr. Szabó Tamás Társ témavezetı, egyetemi docens, intézetigazgató 5

6 Alkalmazott jelölések Latin betős jelölések a - Gyorsulás [m/s ] b - Sebességgel arányos csillapítás [Ns/m] C a - Gyorsulásjellemzı C M - Nyomatékjellemzı C v - Sebességjellemzı F - Erı [N] f - Átviteli függvény g i - Súlyozási tényezı h - A hajtó-fogaskerék maximális elmozdulás [mm] i - Áttétel j - Ütés (a gyorsulás deriváltja) [m/s 3 ] J - Tehetetlenségi nyomaték [kgm ] k - Rugómerevség [N/m] k ö - Összhajtóviszony [mh] L - Önindukciós együttható [mh] L - Lagrange függvény l - Elmozdulási szakasz [mm] L d - Differenciális induktancia [mh] L s - Szekáns induktancia [mh] m - Tömeg [kg] M - Nyomaték [Nm] n - Fordulatszám [1/min] P - Teljesítmény [W] P k - Általánosított erı [N] q - Általános koordináta Q - Villamos töltés [C] R - Ohmos ellenállás [Ω] s 1 - A kapcsolódó tag elmozdulás [mm] S F - Részfunkció S FA - Tápegységrıl vezérel részfunkció S FB1 - Kapcsolatot létrehoz részfunkció S FB11 - Közvetlenül energiát átad részfunkció S FB1 - Nyomatékot közvetít részfunkció S FB - Kapcsolatot mőködtet részfunkció S FB1 - Axiális mozgást biztosít részfunkció S FB - Radiális mozgást biztosít részfunkció S FC - Forgó mozgást létrehoz részfunkció S FD - Nyomatékot változtat részfunkció S FE - Blokkol részfunkció S FE11 - Funkciót vált részfunkció S FE1 - Nyomatékot határol részfunkció S T - Részfeladat S TA - Energiaforrást igénybe vesz részfeladat S TB - Berendezést a fıtengellyel összekapcsol részfeladat - Fıtengelyt hajt részfeladat S TC 6

7 S TD - Nyomatékot változtat részfeladat S TE - Fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel részfeladat T * - Kiegészítı kinetikus energia [J] T S - Elméleti megoldásmezı [db] T SM - Módosított elméleti megoldásmezı [db] u - Villamos feszültség [V] U 0 - Akkumulátor cellafeszültség [V] v - Sebesség [m/s] V pot - Potenciális energia [J] W e - Elektromos energia [J] W gj - Összérték w ij - Értékelési osztályzat * W m - Kiegészítı mágneses energia [J] w max - Maximális értékelési osztályzat x - Általános elmozdulás koordináta [m] Görög betős jelölések β - Hajtó-fogaskerék fogferdeségi szög [ ] ε - Szöggyorsulás [rad/s ] γ - Mechanizmus szögelfordulás [ ] ϕ - Hajtó-fogaskerék szögelfordulás [ ] Θ - Motor szögelfordulása [ ] 7

8 Rövidítések AC Alternating Current Váltakozó áram AD Axiomatic Design Axiómatikus tervezés ADT Autogenetic Design Theory Autogenetikus tervezéselmélet BPS Bosch Production System Bosch gyártási rendszer CAD Computer Aided Design Számítógéppel segített tervezés CAM Computer Aided Manufacturing Számítógéppel segített gyártás CAx Computer Aided x Számítógéppel segített x terület DC Direct Current Egyenáram DfX Design for X Valamilyen szempont (X) szerinti 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 DRD DRRD Dwell-Rise-Dwell Dwell-Rise-Return-Dwell Nyugalmi-Elıremozgó-Nyugalmi szakasz Nyugalmi-Elıremozgó-Visszamozgó- 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

9 Ábrajegyzék 1.1. ábra: Mechanikus mőködtetéső indítómotor [S7] ábra: Elektromágneses mőködtetéső indítómotor [S56] ábra: Korszerő belsı áttételes indítómotor [S8] ábra: Kobei Ebihara szerkezeti megoldása [S10] ábra: Szekáns és differenciális induktivitás értelmezése ábra: VDI 06 irányelve ábra: Axiomatikus tervezés folyamata ábra: Az általános folyamatterv struktúrája (VDI /1) [119] ábra: FRANKE-féle keresımátrix [46] ábra: Funkcióstruktúra részei ábra: A funkcionális tervezés szakaszában alkalmazott módszerek ábra: Összeférhetıségi mátrix ábra: Az összeférhetıségi mátrix kombinációs változatai ábra: Hidraulikus indító berendezés [S33] ábra: Pneumatikus indító berendezés [S67] ábra: Értékelési feltételek ábra: Egy új megoldásváltozat (C7) és egy ismert megoldás (B1) értékprofilja ábra: A C7 és B1 megoldás elvi vázlata ábra: Indítómotor kapcsolómechanizmusa [71] ábra: A hagyományos kapcsolómechanizmus (PEM) funkcióvázlata ábra: Az elektromágnes szerkezete [71] ábra: Az indítómotor áramköri rajza [71] ábra: A kapcsolómechanizmus elektromechanikai modellje ábra: Kiegészítı mágneses energia értelmezése lineáris (a.) és nemlineáris esetben (b.) ábra: A mért és a számított rugóerı karakterisztika ábra: A hajtó-fogaskerékhez kapcsolódó rugó karakterisztikája ábra: A mérés villamos áramköri rajza ábra: A mérés összeállítás fényképe ábra: A mért elektromágneses erı függvénye ábra: A közelítı parciális derivált indukciófüggvény ábra: Integrálással kapott indukciófüggvény ábra: A kapcsolómechanizmus áram-idı lefutása ábra: A vasmag elmozdulás-idı függvénye ábra: A hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvénye ábra: Az új kapcsolómechanizmus kialakításának folyamatterve és lépései ábra: Mozgásátalakítók alaptípusai ábra: Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlata ábra: DRD és DRRD mozgásfüggvény ábra: A leggyakrabban alkalmazott átviteli függvények és deriváltjaik ábra: Nyitott és zárt pályagörbék ábra: A legyártott mechanizmus normált átviteli függvényei ábra: A szerkesztett bütyökhenger kiterített metszete ábra: A legyártott bütyökhenger 3D-s képe ábra: A kísérleti berendezés szerkezeti rajza ábra: Az új kísérleti berendezés fényképe ábra: Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modellje

10 5.13. ábra: Az alkalmazott szervomotor M(dθ/dt) karakterisztikája ábra: Az (5.1) egyenletrendszer szimulációs eredményei ábra: A régi és az új kapcsolómechanizmus hajtófogaskerekének elmozdulás-idı függvénye ábra: Trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvény ábra: A 1 =0,5 és A =0,5 arányú, normált átviteli függvények ábra: A 1 =1 és A =1 arányú, normált átviteli függvények ábra: A 1 = és A = arányú, normált átviteli függvények ábra: Vezérpálya sebesség profilok ábra: Minimális teljesítmény szükséglet ábra: Tárcsa forgórésző motorral hajtott kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata ábra: Mechanikus hajtással kombinált kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata

11 Táblázatjegyzék 1.1 táblázat: A gyújtási fordulatszám értékei táblázat: Klasszikus német tervezıi iskolák táblázat: Fontosabb tervezéselméletek táblázat: Tervezési követelményjegyzék táblázat: Energiaforrások összehasonlító táblázata táblázat: Forgó mozgás létrehozására alkalmas motorok tervezıi katalógusa táblázat: Hajtások összehasonlító táblázata táblázat: A funkcióstruktúra morfológiai mátrixa táblázat: A funkcióstruktúra módosított morfológiai mátrixa táblázat: Szabadalmaztatott hidraulikus és pneumatikus indító berendezések funkcióstruktúra kódjai táblázat: Akkumulátorok típusai táblázat: A kiválasztott elvi megoldás részfunkciói táblázat: Értékelési kritériumok táblázat: Megoldásváltozatok kiértékelése táblázat: Alkalmazott mérıeszközök táblázat: Szimuláció bemeneti paraméterei táblázat: Átlagos hiba értékei táblázat: Axiális kapcsolatot biztosít részfunkció követelményjegyzéke táblázat: Lehetséges mozgás változatok táblázat: A kísérleti berendezés elemei táblázat: A mechanizmus paraméterei táblázat: C a, C v, C M jellemzık értékei különbözı A 1, A értékeknél táblázat: Megoldásváltozatok értékelési szempontjai

12 Köszönetnyilvánítás Az értekezés a Miskolci Egyetem Robert Bosch Mechatronikai Tanszékén 006-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..1B-10//KONV jelő projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 1

13 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 (000. március) azt a célt fogalmazták meg, hogy az Európai Uniót a világ legdinamikusabb és legversenyképesebb tudásalapú gazdaságává tegyék (Európa 00). 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 [], és jól szolgálja a vállalatok érdekeit is. A leírtaknak kiváló példáját szolgáltatta a BOSCH cégcsoport, amikor a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karán 005-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 06, 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

14 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. 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 [1], [9], [11] 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], [1], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [37], [101] és nemzetközi publikáció [5], [3], [58], [79], tanulmány [15] 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 as 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 n c gyújtási fordulatszámra gyorsítsa fel. A belsıégéső motor mőködése akkor válik önfenntartóvá, ha fıtengelyének fordulatszáma nagyobb, mint a gyújtási fordulatszám [9]. Az n c 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.) [15]. 14

15 Belsıégéső motor típusa benzinmotor bolygódugattyús motor dízelmotor Gyújtási fordulatszám n c (1/min) 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 ábra: Mechanikus mőködtetéső indítómotor [S7] 15

16 1.. ábra: Elektromágneses mőködtetéső indítómotor [S56] Paul L. Schneider és Louis J. Raver közös találmánya [S56] már a napjainkban használatos indítómotorokhoz hasonlít (1.. ábra). Technikai újdonság a mágneskapcsoló (9), 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 () gátolja meg az indítómotor forgórészének gyorsító visszahajtását. Az utóbbi 0-5 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 (8) armatúra tengelyén (6) helyezkedik el, a bolygókerekek (58) a hajtott tengelyre épülı, tárcsába rögzített csapokra (56) illeszkednek. A győrőkerék (16) pedig az armatúra ház (1) és a pajzscsapágy (18) között illesztı szegekkel (az ábrán nem jelölt) elfordulás ellen rögzített ábra: Korszerő belsı áttételes indítómotor [S8]. 16

17 Az 1.4. ábra látható szerkezetnél a kapcsolómechanizmus az indítómotorral egy tengelyen helyezkedik el és az 1.. 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 [S], [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: d u = ( Li), (1.1) dt 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

18 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.) A [16], [7], [8], [36], [44], [45], [47], [48], [68], [10] 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 [0], [6], [7], [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 [0], [7], [44], [45], [68], [96] publikációkban. Kis áramerısségeknél a nemlineáris feladatok az IEM módszerrel visszavezethetık lineárisra [44], [68]. A [4], [48] mővekben a kiegészítı mágneses energia felírásánál a nemlineáris mágneses anyagegyenletet veszik figyelembe. Nemlineáris induktivitásnál a [0], [7], [44], [45], [47], [60], [68], [75], [81], [96] publikációkban értelmezik az L s szekáns (statikus, látszólagos) és az L d differenciális (dinamikus, inkrementális) induktivitás fogalmát, amelyek magyarázatára az 1.5. ábra szolgál. A szekáns induktancia a tekercsfluxus és az áramerısség hányadosa: A differenciális induktancia a 1.5. ábra szerint értelmezhetı: * Ψ L s (i, x) =. (1.3) * i 18

19 Ψ(i, x) L d (i, x) =, (1.4) i Ψ L Ψ = i ( i) * L s = Ψ * i d * i= i * Ψ 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], [13]. 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 [3], [74], [89], [11], [13], [14] 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

20 . 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 [5], [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..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.1 táblázat összefoglalja a jelentısebb, klasszikus német tervezıi iskolákat és alapítóit. Tervezıi iskolák helye Ilmenau Berlin Darmstadt Iskola alapító(k) Bischoff, Hansen Beitz Pahl.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. 0

21 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 szabvány [10] 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. 1

22 . 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.3 táblázat a teljesség igénye nélkül összefoglalja a legfıbb elméleteket és azok szerzıit. NÉV Vdi 06 [117] Ottoson [77] Pugh [8] Suh [100] Vajna, Burchardt Yoshikawa [18] Tervezéselmélet Design methodology for mechatronic systems Dynamic Product Developement (DPD) Total Design Axiomatic Design Integrated Product Developement (IPD) General Design Theory (GDT).. 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.1. ábra mutatja. A folyamatmodell a klasszikus tervezéselméletre (VDI 1, VDI 4) 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].

23 .1. ábra: VDI 06 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.. 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.. axióma (információ): Az egyenértékő tervek közül azt kell választani, amelyik kevesebb információt hordoz. A 1. axióma felírható a következı mátrix egyenlettel: FR = ADP, (.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 3

24 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... 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 000-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) [8], mint általános menedzsment koncepcióként írja le, négy területre bontva: piackutatás, kiválasztás, terméktervezés és gyártás, ügyfélszolgálat. Az utóbbi 0-30 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). 4

25 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.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..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], [6], [63], [105], [106], [107], [109], [1] 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 [1] PhD értekezésében megoldásváltozatokat dolgozott ki ciklois fogazatokat megmunkáló D-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. 5

26 .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. 6

27 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.. 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. 7

28 3.1. ábra: Az általános folyamatterv struktúrája (VDI /1) [119] 3.. ábra: FRANKE-féle keresımátrix [46] 8

29 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. Funkcionális követelmények A feladattal szemben támasztott 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 táblázat: Tervezési követelményjegyzék 9

30 3. 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], [19], [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 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 0 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 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

31 energiaforrások létezhetnek, illetve melyek azok, amelyek az összfeladat megoldására alkalmasak. A 3.. 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 Részegységek Hidraulikus tápegység motor, szivattyú, akkumulátor, irányító elemek, kiegészítı berendezések Pneumatikus tápegység motor, kompresszor, levegı-elıkészítı egység, kiegészítı berendezések Energia tárolhatósága korlátozott könnyő könnyő Energiaszállítás Energiahordozó költsége korlátozott (kis távolság) korlátozott (közepes távolság) nagy nagyon nagy kicsi Hatásfok jó rossz rossz Biztonság jó jó jó Környezeti hatások Szerkezeti elemek költsége Teljesítménysőrőség tőzveszély robbanásbiztos, hımérséklet-érzéketlen Villamos tápegység akkumulátor cellák, vezetékek, kapcsolók korlátlan (nagy távolságok) nem megfelelı kezelés esetén káros nagy viszonylag kicsi viszonylag kicsi nagy (nagy nyomás, kis beépítési méret) kicsi (nagy nyomás nagy hengerek) 3.. táblázat: Energiaforrások összehasonlító táblázata [84],[85] kicsi (nagy motor nagy teljesítmény) 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

32 3.3. táblázat: Forgó mozgás létrehozására alkalmas motorok tervezıi katalógusa 3

33 Jellemzık Hidraulikus hajtás Pneumatikus hajtás Villamos hajtás Forgó mozgások létrehozása egyszerő egyszerő egyszerő Fordulatszám korlátozott nagy korlátozott Elérhetı nyomaték igen nagy alacsony nagy Nyomatékváltoztatás egyszerő és pontos egyszerő Hatásfok jó rossz jó egyszerő Kapcsolás körülményes egyszerő egyszerő Jelátvitel Vezérlıelemek: - Kapcsolási idık - Beépítési méret - Élettartam Környezettel szembeni érzékenység: - Szennyezıdés - Nedvesség - Hıképzıdés lassú és korlátozott gyors és korlátozott gyors és problémamentes közepes kicsi nagyon kicsi nagy nagy nagy nagy igen nagy igen nagy 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 [], [67], [9]. A kitőzött feladat követelményeit teljesítı megoldásokhoz az egyes hatáshordozókat célszerő morfológiai dobozba, azaz mátrixba foglalni [], [33], [19]. 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 S FA,, S FE jelöléseket a 4.sz. melléklet és a jelölésjegyzék értelmezi. A jelölések utolsó 1 4 számjegyei rendre a mechanikus (*.1), hidraulikus (*.), pneumatikus (*.3), villamos (*.4) hatáshordozókat jelölik. Így például a B1.1 jelentése: Axiális kapcsolatot biztosít mechanikus energiaátadással. 33

34 A 3.5. táblázat morfológiai mátrixa alapján egy napjainkban alkalmazott indítómotor funkcióstruktúrája a következı: A4-B1.1-B1.1-C4-D4-E1.1, ahol az egyes jelölések tartalma a következı: A4 villamos tápegységrıl vezérel B1.1 kapcsolatot létrehoz, nyomatékot közvetít mechanikus energiaátadással B1.1 kapcsolatot mőködtet, axiális mozgást biztosít mechanikus energiaátadással C4 fıtengelyt hajt, forgó mozgást létrehoz villamos hajtással D4 nyomatékot változtat mechanikus energiaátadással E1.1 fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel, nyomatékot határol mechanikus nyomatékhatárolóval. S FA A1 A A3 A4 S FB11 B11.1 B11. B11.3 B11.4 S FB S FB1 B1.1 B1. B1.3 B1.4 S FB1 B1.1 B1. B1.3 B1.4 S FB B.1 B. B.3 B.4 S FC C1 C C3 C4 S FD D1 D D3 D4 S FE S FE11 E11.1 E11. E11.3 E11.4 S FE1 E1.1 E1. E1.3 E táblázat: A funkcióstruktúra morfológiai mátrixa A lehetséges elvi megoldások száma az alábbi összefüggés szerint határozható meg: 9 TS SFA SFB11 SFB1 SFB1 SFB SFC SFD SFE11 SFE = = =. (3.1) Könnyen belátható, hogy az S FB11 és S FB1, S FB1 és S FB, illetve az S FE11 és S FE1 részfunkciók között VAGY kapcsolat van, ezért az elvi megoldások száma az alábbiak szerint határozható meg: ( ) ( ) ( ) T = S S + S S + S S S S + S = (3.) S FA FB11 FB1 FB1 FB FC FD FE11 FE1 A (3.) 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 S FB1 és S FB 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 (B1.4, C1, D4, E1.1) a morfológiai mátrixból kivehetık, az egyes részfunkciók sorrendje a 3.6. táblázat alapján módosul. 34

35 S FA A A3 A4 S FC C C3 C4 S FD D1 D D3 S FB S FB1 B1.1 B1. B1.3 B1.4 S FE S FE11 E11.1 E11. E11.3 E11.4 S FE1 E.1 E. E.3 E táblázat: A funkcióstruktúra módosított morfológiai mátrixa A fenti korlátok figyelembevételével a redukált és elméletileg lehetséges megoldások száma: ( ( )) ( ) SM FA FC FD FB1 FE1 FE11 ( ) T = S S S S S + S = = 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 ábra: Összeférhetıségi mátrix 35

36 3.6. ábra: Az összeférhetıségi mátrix kombinációs változatai Az S FB1 és S FB részfunkcióval újra kiegészítve az összes lehetséges elvi megoldások száma: TSM = 4 8 = 4, (3.4) amely az energiaforrások fajtája az alábbi három nagy csoportra bontható: Hidraulikus tápegységrıl vezérelt: TSMA = 4 1 = 96. (3.5) Pneumatikus tápegységrıl vezérelt: TSMA3 = 4 1 = 96. (3.6) Villamos tápegységrıl vezérelt indító berendezés: TSMA4 = 4 4 = 3. (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 A-B11.-B1.-C-D-E1.1 A-B11..-B1.-C-D-E1. A3-B11.3-B.13-C3-D3-E1.1 Szabadalom [S33], (3.7. ábra) [S50] [S67], (3.8. ábra) 3.7. táblázat: Szabadalmaztatott hidraulikus és pneumatikus indító berendezések funkcióstruktúra kódjai 36

37 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 3 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

38 Részfunkció A4 Megnevezés Energiasőrőség [Wh/kg] Ólom Lítiumion Nikkel/kadmium Nikkel/fémhibrid Nikkel/vas Nikkel/cink Cink/bróm Nátrium/kén Nátrium/nikkel-klorid táblázat: Akkumulátorok típusai Az Elvi megoldás részmegoldásai Akkumulátor Tárolási hatásfok [%] A kiválasztást döntıen befolyásoló ok(ok) Napjainkig alkalmazott, legelterjedtebb megoldás B1.1 Hengeres fogaskerékhajtás A hajtáslánc nem alakítható át B1.1 C4 D4 E1.1 Axiális kapcsolatot biztosító mechanizmus DC motor (állandó mágnes, ill. soros gerjesztéső) kb típusú bolygómő Mechanikus visszafutásgátló, szabadonfutó Pontos pozícionálás Legnagyobb az indítónyomatéka Legkisebb a helyszükséglete és nagy nyomaték átvitelére alkalmas 3.9. táblázat: A kiválasztott elvi megoldás részfunkciói Legkisebb a helyszükséglete, és egyszerő a vezérlése 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 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 ábra mutat. Az összértéket az alábbi összefüggés adja: Wg n g w Σ i ij i= 1 j = n w maxσg i i= 1, (3.8) 38

39 ahol w max =4 a VDI 5 szabvány szerint. A súlyozó tényezı valós pozitív szám, amely megadja az értékelési feltételek egymáshoz viszonyított jelentıségét. A g zii (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 5 irányelv [10] Pontszám Értelmezés 0 Teljesen használhatatlan megoldás 1 Nagyon hiányos megoldás 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 Pontszám Értelmezés 0 1 Nem megfelelı Éppen elviselhetı Kielégítı 3 Jó táblázat: Értékelési kritériumok 4 Nagyon jó (ideális) 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

40 3.9. ábra: Értékelési feltételek táblázat összefoglalja az egyes megoldásváltozatok (5.sz melléklet) értékelésének eredményét. A 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

41 3.11. táblázat: Megoldásváltozatok kiértékelése 41

42 3.10. ábra: Egy új megoldásváltozat (C7) és egy ismert megoldás (B1) értékprofilja 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. 4

43 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 egymással. Az indítómotor kapcsolómechanizmusoknak két alapvetı típusa ismert: Közvetlen mőködtetéső, amelynél az indítómotor és a kapcsolómechanizmus egytengelyő [S], [S3], [S4], [S7], [S54], [S60], [S61], [S6] Közvetett mőködtetéső, a kapcsolómechanizmus és az indítómotor tengelye nem esik egybe, azaz a hajtó-fogaskerék elıre mozdulását a kapcsolókar vagy kiemelıvilla végzi [S], [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 (l 3 ) fontos jellemzı, ugyanis ez határozza meg a hajtófogaskerék axiális irányú elmozdulását (h ). 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

44 A kapcsolómechanizmus funkcióvázlatát a 4.. ábra szemlélteti ahol egyes blokkok jelölései az alábbiak: 1 - Vasmagos tekercs - Haladó-haladó mozgásátalakító 3 - Szabadonfutóval egybeépített hajtó-fogaskerék ábra: Indítómotor kapcsolómechanizmusa [71] 4.. 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 (), 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) 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 ) 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

45 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 ), 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. 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 (h 1 ), azaz a vasmag axiális irányban ugyan elmozdul, de a hajtó-fogaskerékkel egybeépített szabadonfutó még nem (4.5. ábra). A. 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 ábra jelölései alapján az elektrodinamikai modell egyenletei a másodfajú Lagrange egyenlet segítségével állíthatók elı [60], [81]: 45

46 d L L = P k, ahol n = 1,,3 dt qɺ n q n és q = Q ; q = x ; q = x qɺ = Qɺ = i; qɺ = x ɺ ; qɺ = x ɺ (4.1) Az L Lagrange függvény a T * kiegészítı kinetikai, a W m * kiegészítı mágneses energiával és a V pot potenciális energiával fejezhetı ki: L = T + W V. (4.) * * m pot 4.5. ábra: A kapcsolómechanizmus elektromechanikai modellje A kiegészítı kinetikus energia az elızı 4.1 fejezetben leírt mőködés alapján az alábbi feltételekkel írható fel: T * 1 m 1 x ɺ 1, ha 0 < x 1< h 1, = xɺ m1 xɺ 1 + m1xɺ + J ( ϕɺ ), ha h1 x 1, ahol ϕ ɺ =. r0 tg( 90 β) (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: W * m ( x) 1 L 1 ( x ) i, ha 0 < x 1 < l 3, =. (4.4) 1 L ( x ) i, ha x 1 l 3. 46

47 a. b ábra: Kiegészítı mágneses energia értelmezése lineáris (a.) és nemlineáris esetben (b.) Az értekezés a nemlineáris modellt az L s ún. szekáns induktivitással írja le. Az 1.5. ábra a (1.3) összefüggés alapján a tekercs fluxusa: ( ) ( ) Ψ i, x = L i, x i (4.5) s alakban fejezhetı ki. Az (4.5) kifejezést behelyettesítve a kiegészítı mágneses energiára vonatkozó összefüggésbe a (4.6) adódik: W * m i L (i, x )idi, ha 0 < x < l, i s = Ψ di = i 0 L s(i, x 1)idi, ha x1 l 3. 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: k ( x ) a 1 k 1, ha 0< x1< l 1, k3 + k 1, ha l1 x1 < l, = k + k3 + k 1, ha l x1< l 3, k, ha x1 l 3., (4.7) ahol k 1 a vasmag-visszaállító rugó (4.3 ábra 10), k az érintkezı rugó (4.3 ábra 5), k 3 a mozgó érintkezıhöz szerelt (4.3 ábrán nem számozott) rugó, k a vasmag felütközésének merevsége A hajtó fogaskerékhez kapcsolódó kúpos tekercsrugó merevsége (k b ) ugyancsak lineárisnak tekinthetı: k ( x ) b k b, ha 0< x1< h, = k, ha x h.. (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

48 F ( x ) ca 1 Fc = k1x1 + F 1, ha 0 < x1< l 1, Fc = k1x1 + k3( x1 l1 ) + F1 + F 3, ha l1 x1 < l, = Fc = k1x1 + k3( x1 l1 ) + k( x1 l ) + F1 + F3 + F, ha l x1 < l 3, Fc = k1x1 + k3( x1 l1 ) + k( x1 l ) + k ( x1 l3 ) + F1 + F3 + F, ha l3 x 1. F ( x ) cb kb x + F 4, ha 0 < x < h, = k ( x h ), ha x h. (4.9) (4.10) A (4.9)-(4.10)- ben az F 1, F, F 3, F 4 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 (h 1, l 1, l, l 3 ) 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 δx =10-4 m, és ezen túl a tényleges rugómerevség érvényes l l F F ca (x 1 ) [N] h 1 l 1 F elméleti eredmény mérési eredmény F x 1 [mm] 4.7. ábra: A mért és a számított rugóerı karakterisztika 48

49 alkalmazott modell elméleti modell F cb (x ) [N] h 0 δx x [mm] 4.8. ábra: A hajtó-fogaskerékhez kapcsolódó rugó karakterisztikája A (4.7)-(4.10) kifejezések alapján a potenciális energia a következıképpen írható: 1 k a ( x 1) x 1, ha 0 < x 1< h 1, 1 1 x 1 ka ( x1) x1 + k b x r, ha h1 x1 < l3 és x < h, r1 1 1 x 1 1 Vpot = ka ( x1) x1 + kb x r + k ( x h ), ha h1 x1 < l3 és x h, r x 1 1 ka ( x1) x1 + k ( x1 l3 ) + k b x r + k ( x h ), r1 ha x1 l3 és x h. A nem konzervatív erık virtuális munkája: (4.11) 49

50 F1 δx1 R eiδ Q + u0δq b1 xɺ 1δ x1 + Fc1 x1 δ x 1, ha 0< x1< h 1, xɺ 1 r F1 δx1 R eiδ Q + u0δq b1xɺ 1δx1 b xɺ r δx δx 1, r1 r1 ha h1 x1< l 1, xɺ 1 r δ Wnc = ( F1 + F ) δx1 R eiδ Q + u0δq b1xɺ 1δx1 b xɺ r δx δx 1,. (4.1) r1 r1 ha l1 x1< l, xɺ 1 r ( F1 + F + F3 ) δx1 R eiδ Q + u0δq b1xɺ 1δx1 b xɺ r δx δx 1, r1 r1 ha l x1< l 3. ahol és R e ( ) R1R R B +, ha 0 x1< l 3, = R1 + R R B + R, ha x1 l 3. F ( x ) c1 1, (4.13) 0, ha x1> 0, =. (4.14) F 1, ha x1 0. A (4.13) összefüggés jelölésben az R B az akkumulátor belsı ellenállását, R 1 a behúzó tekercs ellenállását és R a tartó tekercs ellenállását. jelenti. Behelyettesítve (4.3)-(4.6) és (4.11)-et a (4.)-be, majd (4.1)-be, és tekintettel a (4.1)-re, a következı differenciál-egyenletrendszert kapjuk: 50

51 * W m mɺɺ 1x1 + b1 xɺ 1 + ka ( x1) x1 = F 1, x1, ha 0 x * < 1 < h 1, d W m + R ei = u 0, dt i * r r r r W m mɺɺ 1x1 + b1 xɺ 1 + b xɺ xɺ 1 + ka ( x1) x1 + k b x1 x = F i, r1 r 1 r1 r 1 x 1 J r m r + ɺɺ x + b xɺ xɺ 1 + kb x x1 = 0,, ha ( r0 tg ( 90 β) ) r1 r1 * d W m + R ei = u 0, dt i (4.15a) h x < l és x < h, ahol F 1, ha h1 x1< l 1, Fi = F1 + F 3, ha l1 x1 < l, F1 + F3 + F, ha l x1 < l 3. * r r r r W m mɺɺ 1x1 + b1 xɺ 1 + b xɺ xɺ 1 + ka ( x1) x1 + k b x1 x = F i, r1 r 1 r1 r 1 x 1 J r r m + ɺɺ x + b xɺ xɺ 1 + kb x x1 + k ( x h ) = 0,, ( r0 tg( 90 )) r1 r1 β * d W m + Rei = u 0, dt i ha h x < l és x h, * r r r r W m mɺɺ 1x1 + b1 xɺ 1 + b xɺ xɺ 1 + ka ( x1) x1 + k b x1 x + k ( x1 l3 ) = F i, r1 r 1 r1 r 1 x 1 J r r m + ɺɺ x + b xɺ xɺ 1 + kb x x1 + k ( x h ) = 0,, ha ( r0 tg ( 90 β) ) r1 r1 * d W m + R ei = u 0, dt i x l és x h. 1 3 A (4.15) egyenletrendszerben a kiegészítı mágneses energiára vonatkozó összefüggések a következı alakban fejezhetık ki: (4.15b) 51

52 ( i,x ) i ( ) ( ) ( ) * i i W Ls i,x m 1 1 Ls i,x1 Ls i,x1 i = idi = i di, x x x x i s 1 ( ) ( ) ( ) ( ) * d W m di Ls i,x1 di Ls i,x1 dx1 = Ls ( i, x1) + i + i, ahol dt i dt i dt x1 dt L Ls1 i, x 1, ha 0 < x1 < l 3, = Ls i,x 1, ha x1 l 3. (4.16) 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.. táblázata tartalmazza. Az L s (i, x 1 ) 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 Elméleti megfontolások Az áramerısség és az elektromágneses erı az alábbi függvénykapcsolattal írható fel, [6], [4], [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 ( ) = Ψ ( ) Az elektromágneses erıt a következı összefüggés adja: * Wm i, x i, x di. (4.19) 0 * Wm F = x ( i, x). (4.0) A tekercs fluxusa a (4.5) egyenlet szerint írható fel: ( ) ( ) Ψ i, x = L i, x i. (4.1) s1 Visszahelyettesítve (4.1)-et (4.19)-be, majd (4.0)-ba az elektromágneses erı a következı: 5

53 ( ) F i, x = L ( i, x) i s1 x 0 idi. (4.) Az (4.) egyenlet mindkét oldalát i szerint deriválva, majd az egyenletet rendezve az induktivitás hely szerinti deriváltja meghatározható: ( ) ( ) Ls1 i,x F i,x =. (4.3) x i i A mért áramerısség és elektromágneses erı ismeretében a (4.3) egyenlet bal oldala elıállítható 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 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 () 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 (R 1 R j ) 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 ábra mutatja. 53

54 R j 6 R 1 Ls1 x F R B 8a, 8b R 1 A 9 4a 5 K 1 4b 3 7 Nr. Megnevezés 4.9. ábra: A mérés villamos áramköri rajza Típus 1 AC tápegység EA-STT 000 B-4.5A 0-60 V AC Lézer interferométer Renishaw XL-80 3 Mérés adatgyújtı Spider 8 4,8 khz/dc 4a Mágneskapcsoló VS V AC (50-60 Hz) 4b Idızítı CRM-91H AC/DC 0-40 V (AC Hz) 5 DC tápegység Matrix MPS-3005L V 6 Akkumulátor 1V A (EN) 44Ah 7 Laptop 8a Erımérı cellával felszerelt vasmag pozícionáló 8b A vizsgált elektromágnes BOSCH adat 4.1. táblázat: Alkalmazott mérıeszközök Catman 4.0, Renishaw linear measurement software GEFRAN TU-K1C (0-100 kg) 54

55 1 3 4a, 4b a, 8b ábra: A mérés összeállítás fényképe 400 F(i,x) [N] x [mm] i [A] ábra: A mért elektromágneses erı függvénye Négy különbözı áramszintnél, amelyek i1=5 A, i=10 A, i3=5 A, i4=3 A, az alábbi approximációs függvények írhatók fel: 55

56 ( ) ( ) = ( ) + ( ) + ( ) + ( ) F i, x f x a x a x i a x i a x i, i1 ( ) ( ) = ( ) + ( ) + ( ) + ( ) i ( ) ( ) = ( ) + ( ) + ( ) + ( ) i3 ( ) ( ) = ( ) + ( ) + ( ) + ( ) i F i, x f x a x a x i a x i a x i, F i, x f x a x a x i a x i a x i, F i, x f x a x a x i a x i a x i, ahol az a 1 (x), a (x), a 3 (x), a 4 (x) ismeretlen együtthatók. Az f 1 (x), f (x), f 3 (x), f 4 (x) függvényeket ötödfokú polinomok közelítik: ( ) n 1n n 3n 4n 5n 6n (4.4) f x = p x + p x + p x + p x + p x + p, (n = 1,..., 4).. (4.5 Az a 1 (x), a (x), a 3 (x), a 4 (x) együtthatók az alábbi mátrix egyenletbıl állíthatók elı: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 1 a1 x 1 i 1 1 i1 i f x 1 a 3 x 1 i f i i x = 3. (4.6) a 1 i 3 x 3 i3 i 3 f3 x 3 a 1 i 4 x 4 i4 i 4 f4 x A (4.3) szerinti derivált indukció közelítı függvénye: ( ) L i, x 1 a x + a x i + 3a x i x i ( ( ) 3 ( ) 4 ( ) ) s1 amelyet a vizsgált tartományban a 4.1. ábra szemléltet. Az indukciófüggvény (4.7)-bıl integrálással állítható elı: Az indukció a függvényközelítés alapján: ahol ( ξ) x s Ls1 ( i, x) d ξ 0, (4.7) L i, = ξ. (4.8) 1 Ls1 ( i, x) = ( b ( x) + b3 ( x) i + 3b4 ( x) i ) + L0, (4.9) i n x n ( ) ( ), (4.30) b (x) = a ξ d ξ, n = 1,...,4. 0 A (4.9) egyenletben a vasmag nélküli tekercs induktivitása L 0 =0,6949 mh, amely vasmag teljesen kihúzott pozíciójában mérhetı. A konstansok meghatározása alapján a kapott induktancia függvényt a ábra mutatja. 56

57 4.1. ábra: A közelítı parciális derivált indukciófüggvény ábra: Integrálással kapott indukciófüggvény Az utolsó mőködési szakaszban ( l x 1 < l 3 ) már csak a tartó tekercs mőködik. A behúzó tekercs rövidre zárásával a mérés a munkapont közelében (i=3 A áramerısségnél) történt. A mért eredményeket kiértékelve az alábbi függvényközelítés tehetı meg: ( ) L i = 3 A, x = p x + p x + p, (4.31) s 1 3 ahol az együtthatók értékei a következık: p 1 =1,686 mh/mm, p = -3,34 mh/mm, p 3 =153,4 mh. 57

58 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.. táblázat tartalmazza. Megnevezés Jelölés Érték Mértékegység Az akkumulátor cellafeszültsége u 0 1 [V] Az akkumulátor belsı ellenállása R B 0,067 [Ω] A behúzótekercs ellenállása R 1 0,83 [Ω] A tartótekercs ellenállása R 1,17 [Ω] A vasmag tömege m 1 0,0989 [kg] A hajtó-fogaskerék tömege m 0,35 [kg] A hajtó fogaskerék tehetetlenségi nyomatéka J 5 4,94 10 [kgm ] Az evolvens profilú bordás tengely osztókör sugara r 0 0,008 [m] Az evolvens profilú bordás tengely fogferdeségi szöge β 5 [ ] A kiemelı villa karáttétele r \r 1 1,5709 [-] A vasmag visszaállító rugó merevsége k [N/m] Az érintkezıhíd tengelyére szerelt rugó merevsége k 6460 [N/m] A mozgó érintkezıhöz kapcsolt rugó merevsége k [N/m] A hajtó-fogaskerékhez kapcsolt rugó merevsége k b 400 [N/m] A felütközés rugómerevsége 6 k 1, [N/m] A vasmag csillapítási tényezıje b 1 15 [Ns/m] A hajtó-fogaskerék csillapítási tényezıje b 15 [Ns/m] Elıfeszítı erık F 1, F 1, 41 [N] F 3, F 4 14,4 [N] A holtjáték hossza h 1 0,004 [m] Elsı elmozdulási szakasz l 1 0,00698 [m] Második elmozdulási szakasz l 0,01043 [m] Harmadik elmozdulási szakasz l 3 0,01146 [m] A hajtó-fogaskerék teljes elmozdulása h 0,0145 [m] 4.. táblázat: Szimuláció bemeneti paraméterei A mért és számított áram-idı függvényt a 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

59 A vasmag, és a hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvényét a ábra és a ábra szemlélteti. Megállapítható, hogy a nemlineáris modell mechanikai egyenletei mérnöki szempontból kielégítı pontosságúak. Az átlagos hibát a (4.3) összefüggés definiálja: T ( ) ( ) f t f t dt s m 0 e = 100 % T 0 f m ( ) t dt, (4.3) ahol T a vizsgált idıtartomány, az f s a szimulációs függvény, az f m a mérési eredmény függvénye az áramerısség, a vasmag és a hajtó fogaskerék elmozdulásának vonatkozásában. A hibaszámítás eredményeit a 4.3. táblázat tartalmazza szimulációs eredmény mérési eredmény 30 5 i [A] t [s] ábra: A kapcsolómechanizmus áram-idı lefutása szimulációs eredmény mérési eredmény 0.01 x 1 [m] t [s] ábra: A vasmag elmozdulás-idı függvénye 59

60 szimulációs eredmény mérési eredmény x [m] t [s] ábra: A hajtó-fogaskerék elmozdulás-idı függvénye Függvény megnevezése T [s] e [%] Áramerısség függvény 0,089 10,3 A vasmag elmozdulás függvénye A hajtó-fogaskerék elmozdulás függvénye 0,089 3,5 0,0879 8, 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

61 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 (S TC ) és a fıtengely-berendezés kapcsolatot vezérel (S TE ) 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.. 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 [4], [17] 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

62 5.1. ábra: Az új kapcsolómechanizmus kialakításának folyamatterve és lépései 5.. ábra: Mozgásátalakítók alaptípusai 6

63 1. Tervezési követelmények és megoldások Funkcionális követelmények Általános követelmények Fogaskerék-kapcsolat létrehozása és megszüntetése (13,5 mm axiális elmozdulás), megfelelı erı és nyomaték létrehozása, új technikai megoldás a hajtáslánc megváltozatása nélkül Nagyszámú kapcsolás (>50 000), 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) nl. p Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlatát az 5.3. ábra szemlélteti. Részei a következık: M motor (1), forgó-haladó mozgásátalakító (), hajtó fogaskerék (3). A forgó-haladó mozgásátalakítást követıgörgıs, vezérpályás mechanizmussal valósítja meg ábra: Az új kapcsolómechanizmus funkcióvázlata 63

64 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: ( ) = ( ) = ( Θ) Θ ɺ ( ) Az (5.) összefüggés további differenciálásával a gyorsulás: v t sɺ t f t. (5.) ( ) = ( ) = ( Θ) Θ ɺ ( ) + ( Θ) Θɺɺ ( ) a t ɺɺ s t f t f t. (5.3) Az (5.3) további differenciálásával meghatározható az ütés: ( ) = ( ) = ( Θ) Θ ɺ 3 ( ) + ( Θ) Θɺ ( ) Θ ɺɺ ( ) + ( Θ) ɺɺɺ Θ( ) j t ɺɺɺ s t f t 3f t t f 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 Dwell-Rise-Dwell (Nyugalmi-Elıre mozgó-nyugalmi szakasz) DRRD Dwell-Rise-Return-Dwell (Nyugalmi-Elıre mozgó-visszamozgó-nyugalmi szakasz) Dwell 1 Rise Return s [mm] 8 6 Rise s [mm] Dwell 0 0 pi/ pi 3pi/ pi θ [rad] Dwell 0 0 pi/ pi 3pi/ pi θ [rad] Dwell 5.4. ábra: DRD és DRRD mozgásfüggvény 64

65 A mechanizmusok kinematikai vizsgálatánál gyakran a mozgástörvény normált alakjait alkalmazzák, azaz a kihajtó tag mindenkori s hajtójellemzıje az s max =s legnagyobb értékre vonatkoztatható, azaz dimenziótlanítják. Alakja: f(s/s max )=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 ábra: A leggyakrabban alkalmazott átviteli függvények és deriváltjaik 65

66 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.. táblázat tartalmazza. A nyitott és zárt vezérpálya görbét az 5.6. ábra szemlélteti. Nr. Mozgásfeladat Mozgásfüggvény A teljes elfordulási szög (γ) A motor elfordulási szöge (Θ) A vezérpálya görbe alakja 1. DRD Polinom nyitott. DRD Trigonometrikus nyitott 3. DRRD Polinom zárt 4. DRRD Trigonometrikus zárt 5.. táblázat: Lehetséges mozgás változatok 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.. táblázat szerinti megoldások közül az 1. sorszámú került kivitelezésre Az ehhez tartozó normált átviteli függvény, amely egy ötödfokú Hermite polinom: Az elsırendő normált átviteli függvény: A másodrendő normált átviteli függvény: Θ Θ Θ f ( Θ ) = (5.9) γ γ γ 3 4 Θ Θ Θ f ( Θ ) = (5.10) γ γ γ 66

67 3 Θ Θ Θ f ( Θ ) = (5.11) γ γ γ A tervezéskor figyelembe vett peremfeltételek: f = 0, Θ = 0, f = 0, f = 0,. f = 1, Θ = γ, f = 0, f = 0. Az (5.9)-(5.11) függvényeket az 5.7. ábra mutatják. (5.1a) (5.1b) 1 f(z) f '(z) θ [ ] θ[ ] 6 4 f ''(z) 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 r a =3 mm sugarú görbe, amelynek egyenlete a síkba kiterített hengerköpeny x-y koordinátarendszerében: x = r γ z, a ( ) y = h f z. (5.13) A görgıközéppont a pályára bocsátott normális κ emelkedési szögével és az r R =3mm görgısugárral kifejezhetı a munkagörbe egyenlete: A κ emelkedési szög az alábbi egyenlettel számítható: xm = x ± rr cos κ, y = y ± r sin κ.. (5.14) M R 67

68 dy dy dγ y tgκ = = =. (5.15) dx d γ dx x A bütyökhenger 3D-s képét az 5.9. ábra mutatja. A bütyökhenger anyaga PTFE TF 415 (5% szén töltıanyaggal) típusú mőanyag, amely széles hımérséklet tartományban (-00 C- +60 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=0,0-0,06) rendelkezik. A kapcsolódó tag anyaga Ck 45 acél görgıközéppont pályája munkagörbe munkagörbe 10 y [mm] x=πr a [mm] 5.8. ábra: A szerkesztett bütyökhenger kiterített metszete 5.9. ábra: A legyártott bütyökhenger 3D-s képe 68

69 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 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 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 (5), amelyen a fogaskerék elmozdulhat, a csapágyházban () 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 (5) ferde fogazású evolvens profilú bordás tengelyrészén keresztül haladó-elforduló mozgást végez. 69

70 5.10. ábra: A kísérleti berendezés szerkezeti rajza 70

71 A kivitelezett új kísérleti berendezés fényképét az ábra mutatja 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 Gyártó PMDC szervomotor Serial Nr. ACAH8856 Tengelykapcsoló MKM Inkrementális encoder Szervomotor vezérlı Toroid transzformátor 048 inkrement/fordulat Mammut Serial Nr. NT30 P=45 W M max = Nm 5,5 V DC 18-8 V DC I max =40 A 30 VA 30 V/4 V 5.3. táblázat: A kísérleti berendezés elemei CNCDRIVE HUNGARY Kft. JAKOB GmbH CNCDRIVE HUNGARY Kft. CNCDRIVE HUNGARY Kft. CNCDRIVE HUNGARY Kft. 71

72 A tesztelés elsı fázisában a szervomotor és annak vezérléséhez szükséges paramétereket kellett beállítani. A kísérleti berendezés terhelés nélküli vizsgálatoknál több mint ciklust végzett. A berendezés terheléses vizsgálata elıtt felvételre került a motor nyomaték karakterisztika a szögsebesség függvényében, amit az ábra mutat. A teszt során vizsgáltuk az axiális elmozdulást, a motor melegedését, a motor áramfelvételét, és a ciklusidıt. 5. Elektrodinamikai modell Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modelljét az 5.1. ábra szemlélteti. A (4.1) összefüggésbıl kiindulva a Lagrange függvény a következı alakban írható fel: L =. (5.16) * T V pot A kiegészítı kinetikai energia az 5.1. ábra jelölései alapján a következı: A potenciális energia: * 1 ds1 1 J T = m1 + J1 Θ ɺ + m + xɺ. (5.17) dθ ( r0 tg( 90 β) ) 1 V ( ( )) pot = kb x s1 Θ, (5.18) ahol k b rugómerevség a 4.8. ábra és a (4.7) összefüggés alapján került meghatározásra. A nem konzervatív erık virtuális munkája: ds1 ds1 Wnc = M ( Θɺ ) δθ b xɺ Θɺ δx δθ, (5.19) dθ dθ ahol M ( Θ ɺ ) az alkalmazott szervomotor nyomaték-szögsebesség méréssel meghatározott kvázi stacionárius karakterisztikája, amely az ábra alapján szakaszonként lineárisnak tekinthetı ábra: Az új kapcsolómechanizmus mechanikai modellje 7

73 0.4 M mérési eredmény alkalmazott modell 0.3 M m [Nm] θ θ max dθ/dt [1/s] ábra: Az alkalmazott szervomotor M(dθ/dt) karakterisztikája Az ábra szolgál alapul a motor nyomaték függvényének felírásához: M M 0, ha Θ ɺ < Θɺ 0, ɺ ɺ M Θ Θ ( Θ ɺ ) = ( ɺ ɺ ) 0 M0 a Θ0 Θ, ha Θ Θ 0, ahol a =. ( ɺ ɺ max 0 ) (5.0) 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 (5.0) kifejezésekre az (5.1) szerinti differenciál egyenletrendszer adódik: ( ɺ ) ( ) ( ) m1s 1 + J 1 Θ ɺɺ + m1s 1s 1Θ ɺ + b x + s 1Θ ɺ s 1 + kb x + s1 s 1 = M Θɺ, J m + ɺɺ x + b ( xɺ s 1Θ ɺ ) + kb( x s1 ) = 0. ( r0 tg( 90 β) ) (5.1) Az (5.1) egyenletrendszer szimulációs eredményeit az 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 c ábra szerinti függvényt megállapítható, hogy a fogaskerék kapcsolódása az új megoldásban a régitıl kedvezıbb és a kapcsolási idı kb. 0 ms-on belül van. 73

74 θ [ ] 100 s 1 [m] t [s] t [s] z [m] t [s] ábra: Az (5.1) egyenletrendszer szimulációs eredményei Megnevezés Jelölés Érték Mértékegység A mechanizmus tömege m 1 0,0013 [kg] A mechanizmus tehetetlenségi nyomatéka J táblázat: A mechanizmus paraméterei 1, [kgm ] 74

75 Régi kapcsolómechanizmus Új kapcsolómechanizmus x [m] ábra: A régi és az új kapcsolómechanizmus hajtófogaskerekének elmozdulás-idı függvénye t [s] 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 ábra egy trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvényt mutat, amely felépíthetı szinusz-konstans-koszinusz-konstans-szinusz részfüggvényekkel [74], [1]. Lehetséges megoldásokként ezekbıl a részfüggvényekbıl - különbözı paraméterek alkalmazása mellett eltérı összátviteli függvények határozhatók meg. 6 C a 4 f''(z) 0 a/ b/ c/ c/ b/ a/ - -4 I II III IV V VI -C a ábra: Trapezoid alakú, másodrendő átviteli függvény z 75

76 A részfüggvények csatlakozásánál az alábbi feltételnek kell teljesülnie: ( ) ( ) f n z = f n+ 1 z, (5.) ahol n=i,,vi a függvény szakaszok száma. A kihajtó mozgás ütésmentes lefolyása érdekében érvényesülni kell továbbá a következı feltételnek is: A lökésmentes kihajtó mozgás feltétele: A szimmetria feltétele: n ( ) ( ) f z = 0 = f z = 1 = 0. (5.3) n ( ) ( ) n f z = 0 = f z = 1 = 0. (5.4) z n ( ) ( ) f z = f 1 z. (5.5) z 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 1 =, a b A =. c 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: π f I ( z) = Ca sin z a. (5.6) Az elsırendő átviteli függvény az (5.6) összefüggésbıl, integrálással állítható elı: Az I. szakasz kezdeti feltétele: π a π f I ( z) = Ca sin z dz = Ca cos z + KI. (5.7) a π a I ( ) amelybıl a K I konstans értéke meghatározható: és így adódik, hogy: f z = 0 = 0, (5.8) a a 0 = Ca + KI KI = Ca π π, (5.9) a a π f I ( z) = Ca cos z π π a. (5.30) További integrálással a nulladrendő függvények adódnak. Az I. szakasz, függvénye az (5.9) alapján: a 0 z a 0, 76

77 A kezdeti feltétel: a a π a a π fi ( z) = Ca cos z dz = Ca z sin z + q I π π a π π a. (5.31) I ( ) A q I konstans meghatározása után a kapott függvény: f z = 0 = 0 = q. (5.3) I a a π fi ( z) = Ca z sin z. (5.33) π π a 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 II. szakasz tartománya a 1 z c és függvénye: A III. szakasz tartománya 1 c z 1 + c, c 0 és függvénye: II ( ) f z = C. (5.34) a π 1 c f III ( z) = Ca cos z. c. (5.35) A IV. szakasz tartománya 1+ c z 1 a és függvénye: IV ( ) a Az V. szakasz tartománya 1 z 1, a 0 és függvénye: A VI. szakasz tartománya z > 1 és függvénye: f z = C. (5.36) a π f V ( z) = Ca sin ( z 1) a. (5.37) VI ( ) f z = 0. (5.38) Az elsırendő átviteli függvény az II-VI szakaszokban, nem ismételve a tartományokat, integrálással állíthatók elı: A kezdeti feltétel: ( ) f II z = Cadz = Caz + KII. (5.39) a f II z = = C A K II konstans meghatározása után kapott elsırendő átviteli függvény: a a, (5.40) π 77

78 A III. szakasz függvénye: A kezdeti feltétel: a a f II ( z) = Ca z + π. (5.41) π 1 c c π 1 c f III ( z) = Ca cos z dz = Ca sin z + KIII c π c. (5.4) 1 c 1 c a a b a f III z = = Ca + = Ca + π π. (5.43) A K III konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: A IV. szakasz függvénye: A kezdeti feltétel: b a c π 1 c f III ( z) = Ca + + sin z π π c. (5.44) ( ) f IV z = Cadz = Ca z + KIV. (5.45) 1+ c b a 1 c a a f IV z = = Ca + = Ca + π π. (5.46) A K IV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: Az V. szakasz függvénye: A kezdeti feltétel: a a f IV ( z) = Ca + 1 z π. (5.47) π V ( ) a ( ) a π f z = C sin z 1 dz = Ca cos ( z 1) + KV a π a. (5.48) 1 a a f V z = = Ca. (5.49) π A K V konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: A VI. szakasz függvénye: a a π f V ( z) = Ca cos ( z 1) π π a. (5.50) VI ( ) f z = 0. (5.51) Hasonlóan az elızıekben bemutatott eljáráshoz, további integrálással adódnak a nulladrendő függvények. A II. szakasz függvénye: 78

79 a a z a a fii ( z) = Ca z + dz = Ca + z + qii π π. (5.5) A kezdeti feltétel: a a a a fii z = = Ca. (5.53) π π A q II konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: z a a a a fi ( z) = Ca + z +. (5.54) π π 8 A III. szakasz függvénye: b a c π 1 c b a c π 1 c fiii ( z) = Ca + + sin z = Ca + z cos z π π c π π c. (5.55) + q III A kezdeti feltétel: ( ) 1 c 1 c a a 1 c a a fiii z = = Ca + +. (5.56) 8 π π 8 A q III konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: ( ) 1 c b a c a a c π 1 c fiii ( z) = Ca + z + + cos z π 8 π π 8 π c. (5.57) A IV. szakasz függvénye: a a a a z fiv ( z) = Ca + 1 z dz = Ca + 1 z + qiv π π. (5.58) A kezdeti feltétel: f ( ) 1 c 1+ c b a 1+ c a a z = = +. (5.59) π 8 π 8 IV A K IV konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: z a a fiv ( z) = Ca z + ( c a ). (5.60) π π 8 4 Az V. szakasz függvénye: a a π a a π f ( z) = C cos ( z 1) dz = C z cos ( z 1) + q π π a π π a V a a V A kezdeti feltétel:. (5.61) 79

80 ( 1 a) 1 a a a 1 a fv z = = Ca ( c a ). (5.6) 8 π π 8 4 A K V konstans meghatározása után a kapott elsırendő átviteli függvény: ( ) 1 a c a a π c a fv ( z) = Ca z cos ( z 1) + + a. (5.63) π π π 4 A VI. szakasz függvénye: fvi ( z) = 1. (5.64) A C a gyorsulásjellemzı az (5.63) összefüggésbıl a z=1 feltétel alapján határozható meg: C 4π =. (5.65) π 8 a c π π a + π ( )( ) ( ) a A C v sebességjellemzı azonos a (5.44) egyenlet jobb oldalával, amikor a sebesség maximuma z=0,5 értéknél van: A C M nyomatékjellemzı az alábbi összefüggéssel számítható: C M v a + c b = Ca + π. (5.66) ( ( ) ( )) C = max f z f z. (5.67) A számításokat A 1 =0,5, A =0,5; A 1 =1, A =1; és A 1 =, A = értékek behelyettesítésével végezzük el. Az A 1 és A 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 ábra, ábra és ábra szemléltetik. Jellemzık C a C v C M Prototípus 5,7735 1,8749 6,694 A 1 =0,5, A =0,5 5,6393,0000 8,111 Eltérés [%] -,37 6,6666 1,1666 A 1 =1, A =1 5,788,0000 8,0979 Eltérés [%] -8,5683 6,6666 0,9687 A 1 =, A = 4,8881,0000 8,0899 Eltérés [%] -15,335 6,6666 0, táblázat: C a, C v, C M jellemzık értékei különbözı A 1, A értékeknél 80

81 1.5 1 Prototípus A 1 =0,5 A =0,5 1.5 f(z) 0.5 f ' (z) Prototípus A 1 =0,5 A =0, z z 10 5 Prototípus A 1 =0,5 A =0,5 f' '' (z) z ábra: A 1 =0,5 és A =0,5 arányú, normált átviteli függvények Prototípus A 1 =1 A =1 1.5 f(z) 0.5 f ' (z) Prototípus A 1 =1 A = z z 10 5 Prototípus A 1 =1 A =1 f '' (z) z ábra: A 1 =1 és A =1 arányú, normált átviteli függvények 81

82 f(z) f ''(z) Prototípus A 1 = A = z f '(z) 1 Prototípus A 1 = A = z Prototípus A 1 = A = z ábra: A 1 = és A = arányú, normált átviteli függvények Az eredményekbıl és a szakirodalmak alapján megállapítható, hogy az A 1 = és A = arányossági tényezıkkel kedvezı átviteli függvények valósíthatók meg, mivel kis C a értéknél a mechanizmus terhelése csökken, illetve a nagyobb C M 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 5.0. ábra szemléltet. A vizsgálatoknál a motor bekapcsolási jelenségei, veszteségei és a mechanikai veszteségek figyelmen kívül hagyhatók. 100 Trapéz profil Háromszög profil ω [1/min] t [s] 5.0. ábra: Vezérpálya sebesség profilok 8

83 A háromszög alakú sebességprofilnál a γ szögelfordulás az 5.0. ábra alapján írható fel: A szöggyorsulás: ω t max γ =. (5.68) ω ω 4γ, (5.69) t t t max ε = = = amelybıl a minimális szöggyorsulás értéke: A maximális szögsebesség: 4γ 4π ε = = = rad. s ( ) t 0,03 γ π ω rad max = = = 09,4. t 0,03 s Szimmetrikus, trapéz alakú sebességprofilnál a szögelfordulás a következıképpen határozható meg: gy ( gy ) γ = ω t + ω t t. (5.70) Átalakítva és rendezve az (5.70) összefüggést a következı írható: A motor nyomatékszükséglete: ω = γ ( t t gy ). (5.71) ω Mm = Jred ε = ( Jm + J1 + J ), (5.7) t ahol a szöggyorsulás, trapéz alakú sebességprofilból egyszerően számítható. Felhasználva (5.71) és (5.7)-et a szükséges motornyomaték: A mechanikai teljesítmény: P M J ω ( t ) gy red m =. (5.73) ω γ J ω 3 red = Mm ω =. (5.74) ω γ ( t ) A mechanikai teljesítmény szélsı értéke az alábbi összefüggéssel határozható meg. ( ( ω γ) ω ) ( ωt γ) Jred ω 3 t t P = = 0. (5.75) ω Az (5.75) összefüggés megoldását az 5.1. ábra mutatja, amely szerint a minimális teljesítményigény: Pmin =,39 W. 83

84 A 7.sz. melléklet tartalmazza a minimális teljesítményigény alapján kiválasztott motorok paramétereit. Az (5.75) összefüggés megoldását az 5.1. ábra mutatja, amely szerint a minimális teljesítményigény ,54 rad/s -10 P/ ω ω [rad/s] 5.1. 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.. 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 M 1 az indítómotor, az M a 84

85 kapcsolómechanizmust mőködtetı motor. A 8. sz. mellékletben feltüntetett megoldásokat az 5.6. táblázat összefoglalóan értékeli: Nr. Hatásfok η [%] Gyártási költség Szükséges szerelési pontosság Zaj Kopás közepes közepes közepes kicsi nagy Helyszükséglet az áttétel függvényében nagy nagy közepes kicsi közepes nagy nagy kicsi kicsi kicsi nagy nagy közepes kicsi nagy nagy nagy közepes kicsi közepes nagy nagy közepes kicsi nagy 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 ábra: Mechanikus hajtással kombinált kapcsolómechanizmus kinematikai vázlata A mechanizmus által létrehozott maximális gyorsuláshoz a hajtási láncot a motortól kiindulva kell megtervezni. Az 5.3. ábra valamint a 8.sz. mellékletben szereplı változatok kinematikai láncának a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka az alábbi összefüggéssel határozható meg: J = J + k J, (5.76) red,m hajtó ö hajtott A motor dinamikus nyomatékára vonatkozó összefüggés: M = J ϕɺɺ. (5.77),gy red,m M A hajtó fogaskerék gyorsulása a motor szögelfordulásnak függvényében az alábbi: A fenti egyenletet átalakítva kapjuk, hogy: h ɺɺ x = ki ϕm π ɺɺ. (5.78) M,gy ɺɺ x = kö. (5.79) ( Jhajtó + kö ( Jhajtott )) h π 85

86 Az optimális paraméterek meghatározását különbözı motorokkal célszerő elvégezni azért, annak érdekében, hogy a mechanizmus gyorsulása a maximális legyen: dx ɺɺ dk = 0 ö. (5.80) Behelyettesítve (5.79)-et (5.80)-ba majd átalakítva és rendezve, az optimális hajtóviszony: k ö _ opt Jhajtó =. (5.81) J hajtott Ez alapján már megtervezhetı a megfelelı fogaskerékhajtás. A legyártott bütyökhenger sugara az átviteli szög (µ min ) 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 [13], [14]: ahol ra ω arctg v µ =, (5.8) h γ max ( ) vmax = ωf z max. (5.83) Jó közelítéssel a bütyökhenger minimális sugara az alábbi összefüggéssel határozható meg, a µ min =60 figyelembevételével: h ( ) µ γ ra f z tg min max A 5.84 képlet alapján a bütyökhenger minimális sugara: ra min = 14 mm. min. (5.84) Figyelembe véve a bütyökhenger konstrukciós kialakításának szempontjait és a munkagörbére vonatkozó egyenletet, az optimális bütyökhenger befoglaló mérete (átmérı x hossz): dxb = 36mm x 5mm. Ezzel a megoldással a relatív térfogatcsökkenés: πr b πr b π 3 8 π 18 5 V% = 100 = %. πr b π 3 8 a amin min a 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

87 A kidolgozott mechanizmus mozgásfüggvényét ötödfokú polinom írja le. Kidolgozásra került az új kapcsolómechanizmus kísérleti berendezésének gyártási dokumentációja. A legyártott berendezés több mint 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

88 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.. 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

89 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. 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

90 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 06 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

91 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

92 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. 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. 9

93 Felhasznált irodalom [1] ANDERSSON, S., ET AL: Friction models for sliding dry, boundary and mixed lubricated contact, Tribology International (40), pp [] BAKÁCS, A.: Ipar-Egyetem kapcsolatok, Technológia fejlıdés és új tudományos eredmények NKTH MECENATÚRA pályázat, ismeretterjesztı cikksorozat, 006. október [3] BALL, J.K., ET AL: Torque estimation and misfire detection using block angular velocity, SAE 000 World Congress, Detroit, Michigan, March 6-9, 000. [4] BÁNSÁGI-PETRÓK-POREMPOVICS-REMÉNYI: Gépjármővillamossági mőszerész, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, [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, [6] BERCSEY, T.: A gépszerkesztés tudományának fejlıdése és jellemzı vonásai. GÉP Vol. 4., No.., [7] BERCSEY, T.; HORVÁTH, I.: A korszerő géptervezés feltételei, módszerei és eszközrendszere, GÉP, Vol. 37., No 11., [8] BERCSEY, T. -DÖBRÖCZÖNI, Á. - DUPCSÁK, ZS. - HORÁK, P. - KAMONDI, L. - KELEMEN. T.- PÉTER, J. - TÓTH, J.: Terméktervezés és fejlesztés, PHARE TDQM, Budapest, [9] BERCSEY, T.- VAJNA, S.: Ein Autogenetischer Ansatz für die Konstruktionstheorie. CAD-CAM Report, 1994, 13(), 66 71; 1994, 14(3), [10] BERCSEY, T.: A tervezéselmélet és a CAD oktatása, GÉP, Vol. 40., No 10., [11] BIHARI Z.-SZENTE, J: Az állandó zárószög feltétele görgıs szabadonfutóknál: Roller freewheels with constant pressure angle GÉP 61:(9-10) pp (010) [1] BIHARI, Z.- SZENTE J.:Szabadonfutó tengelykapcsolók vizsgálata, GÉP LVI:(11-1) pp (005) [13] BIRKHOFER, H.: Analyse und Synthese der Funktionen technischer Produkte. Fortschr. Ber. VDI-Z. Reihe 1, Nr. 70. Düsseldorf: VDI-Verlag [14] BLÁGA, CS.- KOVÁCS, E.: Modeling and Measurement of a Starter, ISPE Ee 011, The 16th International Symposium of Power Electronics. Novi Sad, Szerbia, pp. 1-5.(ISBN: ) [15] BLÁGA, CS.:Indítómotor laboratóriumi tesztmérése AUTÓTECHNIKA, JAVÍTÁS ÉS KERESKEDELEM 9: pp (010) [16] BLÁGA, CS.:Lineáris elektromágnesek mőködésének számítógépes szimulációja, ELEKTROTECHNIKA 3: pp (005) [17] BLÁGA, CS.-KOVÁCS, E.: Performance Curves of Starter based on Mathematical Model, MACRo010 Proceedings of the nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics, Marosvásárhely, Románia, pp (ISBN: ) [18] BLÁGA, CS.-KOVÁCS, E.: Személygépkocsi indítómotorjának szimulációja, A JÖVİ JÁRMŐVE 5:(1-) pp (010) [19] BLÁGA, CS: Simulation of Performance Curves for Starters,International CONgress on Automotive and Transport Engineering (CONAT010). Brasov, Románia, Brasov: Transilvania University Press, pp [0] BODE C.: Methoden zur InduktivitÄtsberechnung, Jahresbreicht 009. p 14. [1] BOHNER GSCHEIDLE LEYER PICHLER SAIER SCHMIDT - SIEGMAYER - ZWICKEL: Gépjármőszerkezetek Budapest Mőszaki Könyvkiadó, 003. [] BRANKAMP, K: Planung und Entwicklung neuer Produkte, Berlin, de Gruyter,

94 [3] CHEN, F. Y.: Mechanics and Design of Cam Mechanism, Pergamon Press, New York, 198. [4] CHIOU, S-J. KOTA, S.: Automated conceptual design of mechanisms, Mechanism and Machine Theory 34 (1999) pp [5] 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. 8. No pp [6] CRANDALL S. H., KARNOPP C. D., KURTZ JR. E. F., PRIDEMORE-BROWN D. C.:Dynamics of Mechanical and Electromechanical Systems, McGraw-Hill, [7] 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 S [8] 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 S [9] DEZSÉNYI, GY - EMİD, I.- FINCHIU, L.: Belsıégéső motorok tervezése és vizsgálata. Budapest, Nemzeti Tankkönyvkiadó, [30] DÖBRÖCZÖNI, Á. DÖMÖTÖR, CS. PÉTER, J.: TRIZ and nature, Design of Machine and Structures, Vol., No. (01), pp [31] DÖMÖTÖR, CS. PÉTER, J.: Natural analogies and TRIZ, Design of Machine and Structures, Vol., No. (01), pp [3] DUDZIKOWSKI, I., CIURYS, M.: Analysis of operation of a car starter with BLDC motor, Prezglad Elektrotechnizny, ISSN , R.86 Nr. 4, 010. pp [33] EHRLENSPIEL, K: Integrierte Produktentwicklung, Leipzig, Fachbuchverlag Leipzig, 1. Auflage, [34] ELBAUM, J.: Elektromágnesek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, [35] EMİD, I: A jármőhajtás alternatívái, elıadásanyag, BMGE Gépjármővek Tanszék, Budapest, 004. [36] EYABI P,- WASHINGTON G: Modeling and sensorless control of an electromagnetic valve actuator, Mechatonics 006;16: [37] FÜVESI, V.- KOVÁCS, E.-BLÁGA CS.: Measurement and Identification of a Starter Motor System MACRo010 Proceedings of the nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics. Marosvásárhely, Románia,. pp (ISBN: ) [38] G. PAHL-W. BEITZ: Engineering Design. London, The Design Council, [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, [40] GERLING-KHATEEB: Computer Aided Macromodeling for Electromechanical System, Technical Report, 007. p. 14. [41] GOLDBERG, D.E.: Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison- Wesley, Reading, MA, [4] 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, ( ), pp [43] GOTTHARD, V.: Moduláris felépítéső gyártósorok tervezésének elmélete és gyakorlata, PhD értekezés, BMGE, Budapest 008. [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

95 [45] GYIMESI M., OSTERGAARD D.: Inductance Computation by Incremental Finite Element Analysis, IEEE Trans. Magn., (35), pp [46] H.-J. FRANKE, - M. DEIMEL: Selecting and combining methods for complex problem solving within the design process. International design conference design 004 Dubrovnik, May 18-1, 004. [47] HADZISELIMOVIC M., BLAZNIK M., STUMBERGER B., ZAGRADISNIK I.: Magnetically Nonlinear Dynamic Model of a Series Wound DC Motor, Przeglad Elektrotechniczny, (87), No. 1b., 011. pp [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, (30), 008. e [49] HANSEN, F: Módszeres Géptervezés, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, [50] HEYWOOD, J.B.: Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Inc [51] HILLER, M.: Modelling, simulation and control design for large and heavy manipulators In: International Conference on Recent Advances in Mechatronics (pp ) Istanbul, Turkey, [5] HORVÁTH, I: Conceptual design: Inside and outside, p10. [53] HORVÁTH, P.: Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása a szerszámgéptervezésben, Kandidátusi értekezés, Miskolc, [54] HORVATH,I.: A treatise on order in engineering design research, Research in Engineering Design 15 (3) (004) [55] HUBKA, V.: Theorie der Maschinensysteme Grundlagen einer wissenschaftlichen Konstruktionslehre, ISBN , Springer-Verlag, Berlin, [56] HUBKA, V., EDER, W.E.: Theory of Technical Systems. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, ISBN [57] ISERMANN, R.: Mechatronic systems Innovative products with embedded control, Control Engineering Practice 16 (008) pp [58] J. POSTA, - R, PAVLICEK, T.: HLADIK. Starter solenoid and power diagnostics. RES.AGR.ENG., (4): [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 003. vol. 11. No.. (41) [60] JANSCHEK K.: Mechatronic Systems Design, Methods, Models, Concepts, Springer, 01. [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 ). Miskolc, 006. [6] KAMONDI, L. -TAKÁCS, Á: Conceptual product theories adaptable for computers. nd Fatique Symposium Leoben Leoben. ISBN , pp [63] KAMONDI, L.: Thinking as a constructor-acquirement and saving of the knowledge. 49. Mezinarodni Conference Kateder ĉástí a Mechanismu Stroju Srní. ISBN ,pp: [64] KARLHEINZ ROTH: Tervezés katalógussal. Budapest, Mőszaki Könyvkiadó, [65] KOLLER, R.: Konstruktionsmethode für den Maschienen-, Geräte- und Apparatebau, Spinger-Verlag, Berlin, [66] LINDE, H. - HILL, B.: Erfolgreich erfinden Wiederspruchsorientierte Innovationstrategie für Entwickler und Konstrukteure, Hoppenstedt Technik Tabellen Verlag, Darmstadt, [67] LINDEMANN, U: Morphologie und Gesamtkonzept, Übung 04. Technische Universitat München,

96 [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 007. [69] MATTHEWS, R.: Reduced engine friction and wear, Final Technical Report, The University of Texas, 005. [70] MERMELSTEIN, S. P.- HALE, D.- ACAR, M.- JACKSON, M.R.- ROBERTS, K.: PATTERNING servo-mechanism for a circular warp knitting machine, Mechatronics 11 (001), pp [71] MEYER R., BRAUN H., REHAGE R., WEINMANN H.: Alternators and Starter Motors, Robert Bosch GmbH, 003. [7] MOL: Kenıanyagok és autókemikáliák, 007. [73] NEUGEBAUER, R. DENKENA, B. WEGENER, K.: Mechatronic Systems for machine tools, Annals of the CIRP Vol. 56//007. pp doi: /j.cirp [74] NORTON, R.L: Cam Design and Manufacturing Handbook, New York, Industrial Press, 00. [75] O. GOMIS BELLMUNT ET AL. Linear electromagnetic actuator modeling for optimization of mechatronic and adaptronic systems. Mechatronics 17 Elsevier [76] OLSSON, H., ET AL: Friction models and friction compensation, p 37, [77] OTTOSSON, S.: Dynamic product development DPD, Technovation pp [78] PAHL, G.; BEITZ W.: Konstruktionslehre Handbuch für Studium und Praxis, ISBN , Springer-Verlag, Berlin, 1981., 003., 005., 007. [79] PARK, J.K.: Simulation of starting process of diesel engine under cold conditions, International Journal of Automotive Technology, Vol. 8, No. 3, pp [80] POPOVIC, P IVANOVIC, G: A Methodology for the Design of Reliable Vehicles in the Concept Stage, Strojniski vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(007)3, [81] PREUMONT, A.: Mechatronics, Dynamics of Electromechanical and Piezoelectric Systems, Springer, 006. [8] 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. 7, No. 10, pp [84] REXROTH BOSCH GROUP: A fluidtechnika hidraulika alapjai és elemei. Bosch Rexroth AG, 004. [85] REXROTH BOSCH GROUP: A pneumatika alapjai. Bosch Rexroth AG, [86] RICK, T.: Gépipari terméktervezési folyamatok erıforrás-, és költségszempontú optimálása a termékstruktúra figyelembevételével, Doktori értekezés, BMGE, Budapest, 007. [87] RODENACKER, W. G.: Methodisches Konstruieren,. kiadás, ISBN , Springer Verlag, Berlin, [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, 005. [89] ROTHBART, H. A.: Cam Design Handbook, New York, McGraw-Hill, 004. [90] SAE INTERNATIONAL WEBSITE: [91] SARIS, M-PHILIPS, N.: Computer simulated engine performance [9] SCHLICKSUPP, H: Wege zu innovativen Produkten und Dienstleistungen, Würzburg, Vogel 1.Auflage,

97 [93] SE-YUEN MAK: Six ways to measure inductance, Phys.Educ. September 00. pp [94] SE-YUEN MAK: The RLC circuit and the determination of inductance, Phys. Educ., (9) pp [95] STANKOVIC, A.- BENDEDICT, E.R. - JOHN, V. -LIPO, T.A.: A novel method for measuring induction machine magnetizing inductance, Industry Applications Conference, 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., 011. pp [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 [98] SUH, N. P.: Design and Operation of Large Systems, Journal of Manufacturing Systems Vol. 14/No pp [99] SUH, N. P.: Design of Systems, Annals of the ClRP Vol. 46/1/1997. pp [100] SUH, N. P.: The Principles of Design, Oxford University Press, New York, [101] SZALONTAI, L.- KOVÁCS, E.- BLÁGA, CS: Investigation of the Solenoid Switch of an Electric Starter Motor Using FEM MACRo010 Proceedings of the nd Conference on Recent Achievements in Mechatronics, Automation, Computer Sciences and Robotics. Marosvásárhely, Románia, pp (ISBN: ) [10] SZILÁGYI, A.: Szuperfiniselı berendezés dinamikai vizsgálata, PhD értekezés, Miskolc, 010. [103] SZYPER M.: Inductance Measurement, CRC Press LLC, [104] TAJNAFÖI, J.: Mechanizmusok származtatáselméletének alapjai és hatása a kreatív gondolkodásra, Akadémiai doktori értekezés, Miskolc, [105] TAJNAFÖI, J.: Szerszámgéptervezés I., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest [106] TAJNAFİI, J: Szerszámgéptervezés II. Budapest, Tankönyvkiadó, [107] TAKÁCS, Á. - KAMONDI, L.: Computer aided morphological design. 3 th International Conference on Computer Aided Design and Manufacturing, CADAM 005. Supetar, Croatia. pp [108] TAKÁCS, Á.: Számítógéppel segített koncepcionális tervezési módszer, Ph.D. Értekezés, Miskolc, 009. [109] TAKÁCS, GY.: Szerszámgépek strukturális tervezése grafikus adatbázisokkal, egyetemi doktori értekezés, Miskolc, [110] TERNAI, Z.: Gépjármőmotorok méretezése, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, [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 (009) pp [11] TÖMÖSI, M. J. - FRANK, GY.: Autóvillamosság. Budapest, Mőszaki Könyvkiadó, old. [113] URAY DR. SZABÓ: Elektrotechnika Budapest Nemzeti Könyvkiadó, [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 005, pp [115] VAJNA, S.: Theories and methods of product development and design, Gépészet 008 Budapest, 9-30.May 008. G-008-P-0 p 3. 97

98 [116] VALASEK, I: Tribológia. Kenıanyagok és vizsgálataik, Budapest, Tribotechnik Kft [117] VDI 06: Design methodology for mechatronic systems, Düsseldorf, 004. [118] VDI 1 RICHTLINIE: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, 1993 (VDI-Verlag: Düsseldorf). [119] VDI RICHTLINIE BL. 1: Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien. Düsseldorf, [10] VDI RICHTLINIE 5 BL. 1 UND BL. : Technisch-wirtschafliches Konstruieren. Düsseldorf, [11] VELEZDI, GY.: Nagysebességő váltópályás mechanizmusok vizsgálóberendezése, Egyetemi doktori értekezés, Miskolc, [1] VIZI, G.: D-s CNC szalagköszörőgép fejlesztési kérdései, PhD értekezés, Miskolc, 005. [13] VOLMER, J.-STADT, K.M.: Getriebetechnik, Berlin, Veb Verlag Technik, [14] VOLMER, J: Bütykös mechanizmusok,budapest, Mőszaki Könyvkiadó, [15] WALTEROS, C., ET AL: Startersimulation, Kooperationsprojekt, 003. [16] Y, ZENG - S, YAO: Understanding design activites through computer simulation, Advanced Engineering Informatics (3) 009. pp [17] 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 (006) 1: DOI /s , Higher Education Press and Springer-Verlag 006 [18] YOSHIKAWA, H.: General Design Theory as a Formal Theory of Design, Intelligent CAD I: Proceedings of the IFIP TC5 Wg5. Workshop 1987, ISBN: , Elsevier Science & Technology Books, [19] ZADNIK- M. - KARAKAŠIĆ M. - KLJAJIN, M. DUHOVNIK, J: Function and Functioality in the Conceptual Processes, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering (55) , [130] ZWICKY, F.: The morphological method of analysis and construction. Courant anniversary volume. New York: Intersciences Publish, p [131] YAO,Y.- ZHANG, C. - YAN, H-S.: Motion control of cam mechanism, Mechanism and Machine Theory 35 (000) [13] XIAO, H.- ZU, J-W.: Cam profile optimization for a new cam drive, Journal of Mechanical Science and Technology 3 (009) 59~60 98

99 Szabadalmi hivatkozások [S1] ACKERMANN, M. ET AL: Starter apparatus for an internal combustion engine, Lajstromszám: 5,533,415, Közzététel: [S] ANDOH, K., ET AL: Electromagnetic switch for starter, Lajstromszám: US 00/ A1, Közzététel: [S3] BOCQUET, C., ET AL: Internal combustion engine starter equipped with a friction freewheel starter drive assembly, Lajstromszám: WO 006/ A1, Közzététel: [S4] BOEGNER, K: Solenoid switch for starter, Lajstromszám: US 6,360,707, Közzététel: [S5] BÖGNER, K-H.: Electrical switch for starters, Lajstromszám: 4,755,781, Közzététel: [S6] BÖGNER, K-H., ET AL: Electromagnetically operated switch, particularly starter switch for automotive starter motors, Lajstromszám: 4,43,964, Közzététel: [S7] CALLSEN, A: Starting device for internal combustion engines, Lajstromszám:,05,17, Közzététel: [S8] CALVIN, J.A., ET AL: In-line cranking motor drive having reduction gear set, Lajstromszám: 4,41,457, Közzététel: [S9] DYER, J. B.: Control apparatus for internal combustion engines, Lajstromszám:,016,417, Közzététel: [S10] EBIHARA, K: Inertia drive type starter for internal combustion engine, Lajstromszám: 4,50,49, Közzététel: [S11] EYERMANN, M., ET AL: Cranking device for internal combustion engine, Lajstromszám: 5,159,908, Közzététel: [S1] FULTON, D. A., ET AL: Engegement and disengagement mechanism for a coaxial starter motor assembly, Lajstromszám: US 6,633,099 B, Közzététel: [S13] GIOMETTI, P. F.: Starter drive with positiv advance and inertia relaese, Lajstromszám: 3,57,133, Közzététel: [S14] GREENWOOD, L.D.: Electric starter with confined cushion, Lajstromszám: 4,479,394, Közzététel: [S15] HASEBE, N.: Starter with speed reduction mechanism Lajstromszám: 5,19,70, Közzététel: [S16] HIRABAYASHI, T.: Starter electromagnetic switch, Lajstromszám: US 006/00771 A1, Közzététel: [S17] HIRNING, ET AL: Starter device for an internal combustion engine having separate engaging process and starting process, Lajstromszám: US 008/01797 A1, Közzététel: [S18] HIRUMA, H., ET AL: One-axis starter apparatus, Lajstromszám: US 6,389,914 B1, Közzététel: [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 0/ A1, Közzététel: [S0] HNILICA, M: Starter for internal combustion engine, Lajstromszám: US 6,870,78 B, Közzététel: [S1] IMANISHI, T., ET AL: Starter having thrust receiving member between motor shaft and outpust shaft, Lajstromszám: US 6,857,984 B, Közzététel: [S] ISOZUMI, S., ET AL: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 5,044,1, Közzététel:

100 [S3] ISOZUMI, S.: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 4,918,34, Közzététel: [S4] ISOZUMI, S.: Coaxial engine starter, Lajstromszám: 4,945,777, Közzététel: [S5] JASTRZEMBOWSKI, M., ET AL: Integral one way overrun clutch with eoicycle gear system, Lajstromszám: US 7,19,569 B, Közzététel: [S6] JONES, B. W.: Engine starter gearing, Lajstromszám:,58,455 Közzététel: [S7] KAMEI, K., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 6,86,378 B1, Közzététel: [S8] KIMURA, E., ET AL: Coaxial engine starting system, Lajstromszám: 570,760,487, Közzététel: [S9] KRISTOF, J. J., ET AL: Pneumatic starter for internal combustion engine, Lajstromszám: 4,846,1, Közzététel: [S30] KURASAWA, T., ET AL: Magnetic switch for starter motor, Lajstromszám: US 00/ A1, Közzététel: [S31] LEPRES, A., ET AL: Sealed and oil lubricated starter motor gear reduction and overrunning clutch mechanism, Lajstromszám: EP A1, Közzététel: [S3] MALLOFRÉ, S. G.: Engine starter arrangement, Lajstromszám: 3,094,845, Közzététel: [S33] MANNING, E.V.: Hydraulic system method, Lajstromszám: 3,156,9, Közzététel: [S34] MATSUI, F: Engine starting system for motor vehicle, Lajstromszám: 5,64,696, Közzététel: [S35] MAUCH, F., ET AL: Engaging relay for starter devices, Lajstromszám: 5,677,656, Közzététel: [S36] MENDENHALL, C. A.: Engine starting gearing, Lajstromszám:,863,30, Közzététel: [S37] MILLER, D. L.: Engine starter gearing, Lajstromszám:,644,338 Közzététel: [S38] MILLWARD, J. R.: Starter for internal combustion engines, Lajstromszám: 1,341,658, Közzététel: [S39] MIYAKE, S: Electromagnetic switch for use in starter, Lajstromszám: US 008/ A1, Közzététel: [S40] MORISHITA, A., ET AL: Pinion shifting mechanism of an engine starter Lajstromszám: 5,01,686, Közzététel: [S41] MORTENSEN, H.R.: Two stage starter drive system, Lajstromszám: 4,305,00, Közzététel: [S4] MUELLER, K., ET AL: Starting system for an internal combustion engine, Lajstromszám: US 6,834,630 B1, Közzététel: [S43] NARDONE, R. M.: Two-way drive, Lajstromszám:,56,568 Közzététel: [S44] NGUYEN, ET AL: Relay, in particular for a starting device, Lajstromszám: US 6,693,503 B1, Közzététel: [S45] NIIMI, M., ET AL: Starter solenoid switch with highly reliable contacts, Lajstromszám: US 6,937,1 B, Közzététel: [S46] NISHIDA, T., ET AL: Permanent magnet starter, Lajstromszám: 5,617,758, Közzététel: [S47] OKADA, S.: Starter, Lajstromszám: US 008/ A1, Közzététel: [S48] ONO, H., ET AL: Engine starter, Lajstromszám: WO 007/07480 A1, Közzététel: [S49] ONO, H., ET AL: Starter, Lajstromszám: WO 006/ A1, Közzététel: [S50] PIHEL, L. J.: Hydraulic starting system for internal combustion engines, Lajstromszám:,845,916, Közzététel:

101 [S51] RENNER, S., ET AL: Circuit for a latching relay, Lajstromszám: US 6,33,56 B1, Közzététel: [S5] RODRIGUEZ, G. G.: Starter motors, Lajstromszám: 3,09,603, Közzététel: [S53] ROMETSCH, W.: Starting device of compact construction, Lajstromszám: 5,317,933, Közzététel: [S54] SAITO, S., ET AL: Starter motor, Lajstromszám: WO 007/ A1, Közzététel: [S55] SCHMIDT, K-O., ET AL: Starting device for internal combustion engines in motor vehicles, Lajstromszám: WO 006/10180 A3, Közzététel: [S56] SCHNEIDER, P. L., ET AL: Engine starting apparatus, Lajstromszám:,86,391, Közzététel: [S57] SHEILLY, A. H., ET AL: Starting mechanism for internal combustion engines Lajstromszám: 3,399,576, Közzététel: [S58] SHEILLY, A. H.: Electric engine-starting motor, Lajstromszám:,77,158, Közzététel: [S59] SHEILLY, A. H.: Engine starting mechanism, Lajstromszám: 3,177,368, Közzététel: [S60] SHIGA, T., ET AL: Magnetic switch for starter, Lajstromszám: US 6,8,544 B, Közzététel: [S61] SHIGA, T., ET AL: Magnetic switch for starter, Lajstromszám:US 6,710,690 B, Közzététel: [S6] SHIROYAMA, S., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 6,333,567 B1, Közzététel: [S63] SIEMS, H., ET AL: Starter device, Lajstromszám: US 6,8,544 B, Közzététel: [S64] SIEMS, H., ET AL: Starter, Lajstromszám: WO 03/ A1, Közzététel: [S65] STOCKTON, T. R.: Integrated generator and starter motor, Lajstromszám: 5,418,400, Közzététel: [S66] SUZUKI, S., ET AL: Engine starter, Lajstromszám: 5,70,47, Közzététel: [S67] TANAKA, M: Starting device with air motor for internal combustion engines, Lajstromszám: 4,694,701, Közzététel: [S68] TURGAY, B., ET AL: Electric motor, Lajstromszám: US 6,48,44 B1, Közzététel: [S69] UTSUNOMIYA, Y., ET AL: Starter, Lajstromszám: US 008/ A1, Közzététel: [S70] WHEATLEY, D.: Electric starting mechanism for internal combustion engines, Lajstromszám: 3,3,13, Közzététel: [S71] YOUNG, D.A., ET AL: Starter motor incorporating an epicyclic reduction gear mechanism, Lajstromszám: 4,58,470, Közzététel:

102 Publikációk az értekezés témájában Szabadalom [NL1] JAKAB, E.- NAGY, L.- LÉNÁRT, J.- FISCHER, T.: Starter für eine brennkraftmashine, DE A1, p 9. Idegen nyelvő folyóiratban megjelent cikk (lektorált) [NL] NAGY, L. SZABÓ, T. JAKAB, E.: Functional Analysis and Mechatronic Design of a Cam Controlled Mechanism, Procedia Engineering 014. p 8.. ISSN 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 (013) ISSN , doi: /Pollack [NL4] NAGY,L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: Electro-dynamical Modelling of a Solenoid Switch of Starter Motors, Procedia Engineering (48) 01. ISSN , pp 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 (014) International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 44 (1), pp 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 014, pp [NL5] NAGY, L. - LÉNÁRT, J. - JAKAB, E.: Determination of the inductance of starter relays, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém, vol. 39 (). ISSN pp (011). [NL6] NAGY, L.- JAKAB, E.: Developement of new technical solution for starter motors for passenger cars, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém, vol. 38(). ISSN pp (010). Magyar nyelvő folyóiratban megjelent cikk (lektorált) [NL7] NAGY, L.: Követıgörgıs vezérpályás mechanizmus vizsgálata, GÉP LXIII 01/1. ISSN pp [NL8] NAGY, L.: Lineáris elektromágneses aktuátor induktivitásának vizsgálata, GÉP LXIII. 01/3. ISSN pp.3-6. [NL9] NAGY, L. - JAKAB, E.: Indítómotorok lehetséges megoldásváltozatainak meghatározása hagyományos tervezésmódszertani eszközökkel, GÉP LXI. 3.szám ISSN pp [NL10] NAGY, L.-JAKAB, E, Elektromágneses kapcsolókaros mechanizmusok modellezésének kérdései, GÉP LX szám, ISSN pp [NL11] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY., Értékelemzési módszerek indítómotorok fejlesztésénél, GÉP / ISSN pp

103 [NL1] NAGY, L.-JAKAB, E., Módszeres géptervezés alkalmazása indítómotorok fejlesztésénél, GÉP LVII. 006/8-9. ISSN pp 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 8-31, 01., ISBN , pp IEEE Catalog Number: CFP14L-CDR doi: /carpathiancc [NL14] NAGY, L.-JAKAB, E.: Modelling and Simulation of the Pinion-Enganging Mechanism of Starter Motors, Proceedings of Sixth Conference on Mechanical Engineering, GÉPÉSZET 008, ISBN CD-ROM, Budapest, 008. május Idegen nyelvő konferencia cikk (nem lektorált) [NL15] NAGY, L. - LÉNÁRT, J. - SZABÓ, T.: Analysis of starter relay, MMaMS 011 Proceedings of the 4th International conference, Her'lany, Slovakia 0- Sept ISBN CD-ROM pp 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, (01) IEEE 10th Jubilee International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics, SAMI 01 - Proceedings, art. no , pp 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 (01) IEEE 10th Jubilee International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics, SAMI 01 - Proceedings, art. no , pp PAVAN KUMAR,K. V.- LATHA,S.: Intelligently Investigateing Robot, International Journal of Review in Electronics & Communication Engineering (IJRECE) (ISSN: ) 1: (5) PP (013) Magyar nyelvő konferencia cikk (nem lektorált) [NL16] NAGY, L. - SZABÓ, T.- JAKAB, E.: Induktivitás meghatározása elektromechanikai módszerrel OGÉT 01. XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 01. április 19-. ISSN pp [NL17] NAGY, L. - JAKAB, E.: Indítómotor relé dinamikai vizsgálata OGÉT 011. XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 011. április 8-május 1. ISSN pp [NL18] NAGY, L.-JAKAB, E, Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása tervezésmódszertani eszközökkel, Doktoranduszok Fóruma, 009. november 5. pp

104 [NL19] NAGY, L.-JAKAB, E.: Személygépjármő indítómotorok modellezésének kérdései, Gépész, Mechatronikai és Biztonságtechnikai Szimpózium, ISBN CD-ROM, Budapest, 008. november 14. [NL0] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY.: Mechatronikai szerkezetek funkcióanalízise, microcad 007. Nemzetközi Tudományos Konferencia, Miskolc, 007. március -3. Szakmai tudományos elıadás idegen nyelven [NL1] 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 01, Zemplínska Šírava, Slovakia 6th-8th november 01. [NL] 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 8-31, 01. [NL3] NAGY, L.: Electromechanical modelling of a pinion-engaging mechanism for starter motors, Research Conference on Information Technology, 7th PhD&DLA Symposium, Pécs 4-5 October 011. [NL4] NAGY, L.: Analysis of starter relay, MMaMS 011 4th International conference, Her'lany, Slovakia 0- Sept Szakmai tudományos elıadás magyar nyelven [NL5] NAGY, L.: Követıgörgıs vezérpályás mechanizmus vizsgálata, Géptervezık és Termékfejlesztık XXVIII. Országos Szemináriuma, Miskolc, 01. november 8-9. [NL6] NAGY, L.: Lineáris elektromágneses aktuátor induktivitásának vizsgálata, Mechatronikai és Logisztikai Disszeminációs Konferencia, Miskolc, 01. május 5. [NL7] NAGY, L.: Új módszer kidolgozása elektromágneses aktuátorok induktivitásának mérésére, Mőszaki Tudomány az Észak-kelet Magyarországi Régióban 01. Szolnok, 01. május 10. [NL8] NAGY, L.: Induktivitás meghatározása elektromechanikai módszerrel OGÉT 01. XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 01. április 19-. [NL9] NAGY, L.: Indítómotor relé vizsgálata, Mobilitás és Környezet PhD konferencia, Veszprém, 011. augusztus 9-szeptember 1. [NL30] NAGY, L. - JAKAB, E.: Elektromágneses aktuátor dinamikai vizsgálata Mőszaki Tudomány az Észak-Kelet Magyarországi régióban 011. konferencia, Miskolc, 011. május 18. [NL31] NAGY, L- JAKAB, E.: Indítómotor relé dinamikai vizsgálata OGÉT 011. XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó, 011. április 8-május 1. [NL3] 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, 010. augusztus 3-5. [NL33] NAGY, L. Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása tervezésmódszertani eszközökkel, Doktoranduszok Fóruma, 009. november 5. [NL34] NAGY, L. - JAKAB, E.: Személygépjármő indítómotorok modellezésének kérdései, Gépész, Mechatronikai és Biztonságtechnikai Szimpózium, Budapest, 008. november

105 [NL35] NAGY, L.-JAKAB, E.: Elektromágneses kapcsolókaros mechanizmusok modellezésének kérdései, Géptervezık és Termékfejlesztık XXIV. Országos Szemináriuma, Miskolc 008. 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 008, Budapest, 008. május 9-30 [NL37] NAGY, L.-JAKAB, E.-TAKÁCS, GY.: Értékelemzési módszerek indítómotorok fejlesztésénél, Géptervezık és Termékfejlesztık XXIII. Országos Szemináriuma, Miskolc 007. november [NL38] NAGY, L. - JAKAB, E.- TAKÁCS, GY.: Mechatronikai szerkezetek funkcióanalízise, microcad 007. Nemzetközi Tudományos Konferencia, Miskolc, 007. március -3. [NL39] NAGY, L.-JAKAB, E.: Módszeres géptervezés alkalmazása indítómotorok fejlesztésénél, Géptervezık és Termékfejlesztık XXII. Országos Szemináriuma, Miskolc 006. november Ipari kutatások [NL40] Indítómotorok irodalom- és szabadalomkutatása (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc) 006. [NL41] Indítómotorok megoldásváltozatainak kidolgozása (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 007. [NL4] Indítómotor javaslatok és kisérleti példák felépítésének kidolgozása és részletezése (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 007. [NL43] Mőködıképes kísérleti berendezés tervezése, megépítése, mőködtetése (Megbízó: Robert Bosch Energy and Body systems Gépjármőelektromossági Alkatrész Gyártó és Forgalmazó Kft., Miskolc), 009. Egyéb tudományos közlemények és szakmai elıadások [NL44] HANTOS, T.-BARAK, A.-NAGY, L.-SIMON, G.: Hidraulika alapjai, Miskolc 007. Készült a HEFOP P /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 szám ISSN pp Géptervezık és Termékfejlesztık XXVII. Országos Szemináriuma, 011. november [NL46] KRÖELL, D. I. - NAGY, L, Gázterheléső akkumulátorok kiürítési idejének meghatározása. rész Pneumatika, hidraulika, hajtástechnika, automatizálás 011. május ISSN pp 3-6. [NL47] KOVÁCS, B.-KRÖELL, D. I.-NAGY, L.: Gázterheléső akkumulátorok kiürítési idejének meghatározása. Pneumatika, hidraulika, hajtástechnika, automatizálás 010. április, ISSN [NL48] KOVÁCS, B.-KRÖELL, D. I.-NAGY, L.: Hidropneumatikus akkumulátor kiürítési idejének meghatározása, OGÉT 010. XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Nagybánya, 010. április -5. ISSN pp

106 [NL49] NAGY, L.-KRÖELL, D. I.-JAKAB, E.-TATÁR, S.-ANTAL, D.: Elektro-hidraulikus pozíció szabályozó vizsgálata, OGÉT 009. XVII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Mőszaki Szemle Különszám ISSN , Gyergyószentmiklós, 009. április

107 Folyamattervek Mellékletek 1. sz. Melléklet: A klasszikus géptervezés folyamattervei Roth [64] Pahl/Beitz [78] VDI /1 [119] Koller [65] Rodenacker [87] Feladat Feladat Tervezés Gyártmánytervezés Feladat Feladatmegfogalmazási fázis (megfogalmazás) Feladatmegfogalmazás, funkciójegyzék, követelményjegyzék Funkcionális fázis (fejlesztés) Általános funkcióstruktúra Fizikai, logikai funkcióstruktúra Kialakítási fázis (formai kialakítás) Geometriai-anyagi termékkialakítás Szerkezet kialakítása, körvonal kialakítása, mőszaki-gazdasági értékelés Feladatpontosítás A feladatmegfogalmazás pontosítása, követelményjegyzék Koncepcióképzés Funkcióstruktúra, megoldási elvek, mőszaki-gazdasági értékelés Koncepcióképzés Feladatmegfogalmazás pontosítása, követelményjegyzék Az összfunkció ábrázolása részfunkciókkal, kombinálás, variálás, mőszaki-gazdasági értékelemzés Feladatmegfogalmazás pontosítása Funkciószintézis Összfunkció, részfunkció-struktúra, elemi funkcióstruktúra, alapmőveleti struktúra, mőszaki-gazdasági értékelés Szükséges hatáskapcsolatok Funkció Logikai kapcsolatok Fizikai jelenségek Fizikai hatáskapcsolatok Megtervezés Megtervezés Minıségi szintézis Hatáshely Vázlatos kialakítás, részletes kialakítás, értékelés Végleges kialakítás Léptékhelyes fıterv készítése, mőszakigazdasági értékelés, optimalizálás Hatásváltozatok, hatáshordozóváltozatok, elvi megoldásváltozatok. Szerkezeti elemek, szerkezeti egységek, rendszerek, kialakítási változatai. Mőszaki gazdasági értékelemzés (Gyártási kialakítás) Kidolgozás Kidolgozás Mennyiségi szintézis Gyártáshelyes termékkialakítás Gyártás, szerelés, szállítás, ismételt felhasználás stb. szempontból helyes kialakítás. Mőszaki-gazdasági értékelés, elıírások készítése Gyártási dokumentáció Gyártáshelyes kialakítás, adatok kiegészítése, szerelési, szállítási elıírások, adatok ellenırzése Alkatrészek kialakítása, költségek felülvizsgálata Számítások, méretezés. Méretek megadása. Mőszaki gazdasági értékelemzés. Ellenırzés, aláírás. Végleges fıterv, részletrajzok, elıírások, utasítások készítése. Kinematikai hatáskapcsolatok Szerkezeti hatáskapcsolatok. Gyártástechnikai hatáskapcsolatok 107

108 . sz. Melléklet: A BOSCH terméktervezési folyamata 108

109 3. sz. Melléklet: Indítómotorok tervezıi katalógusa Indítómotorok Csoportosítás Fı rész Kiegészítı jellemzık Alapváltozat Hajtófogaskerék kapcsolódásának módja Villamos forgórész Elıny Hátrány Nr. 1 3 Nyomatékmódosítás Inerciarendszerő Csúszófogaskerekes Tehetetlenségi nyomaték által Mechanikus mőködtetéssel Elektromágneses mőködtetéssel Villamos jellemzık változtatásával Belsı áttételen keresztül, kb típusú hajtómővel Belsı áttételen keresztül, fogaskerékpárral Soros gerjesztéső Soros gerjesztéső Soros gerjesztéső, állandómágnes gerjesztéső Soros gerjesztéső, állandómágnes gerjesztéső Soros gerjesztéső, állandómágnes gerjesztéső Egyszerő, csekély karbantartás, olcsó gyártás és javítás Alacsony gyártási költség, kevés villamos rész Lágy indítási folyamat, egyszerő vezérlés Súlycsökkenés, nagyobb nyomaték Kisebb méret, egyszerőbb szerkezet Nagy dinamikus mechanikai igénybevétel, rövid élettartam Bonyolult mechanizmus, mőködtetésébıl az emberi tényezıt nem lehet kizárni Mágneskapcsoló meghibásodásakor a motor mőködésképtelen Bonyolultabb szerkezet, nagyobb megmunkálási pontosság, dinamikai kiegyensúlyozás szükséges Plusz alkatrész a tengelyelrendezés miatt, hosszirányú méretnövekedés Szabadalom [S18],[S37] [S7],[S9],[S14], [S6],[S46] [S10],[S13],[S0], [S5],[S56],[S57], [S58][S59],[S70] [S1],[S3],[S8], [S1],[S15],[S19], [S1],[S],[S3] [S4],[S5],[S7], [S8],[S31],[S4], [S43],[S47],[S48], [S49],[S53],[S63], [S64],[S69],[S71] [S37] 109

110 4. sz. Melléklet: Funkcióstruktúra 110

111 5.sz. Melléklet: Indítómotorok megoldás változatainak tervezıi katalógusa 111

112 6.sz. Melléklet: H-H és F-H típusú mozgásátalakítók H-H típusú mozgásátalakítók [4] ( H H) l ( H H) l ( H H) nl m f m ( H H) nl ( H H) nl ( H H) nl m f f F-H típusú mozgásátalakítók [4] ( F H) l ( F H) l ( F H) nl p m m ( F H) nl ( F H) nl ( F H) nl m m p 11