Pneumatikus hajtású jármű futóművének és kormányművének

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT Pneumatikus hajtású jármű futóművének és kormányművének koncepcionális tervezése Kelemen László MSc II. éves gépészmérnök hallgató Konzulens: Dr. Kamondi László egyetemi docens Bihari János egyetemi tanársegéd Gép- és Terméktervezési Tanszék Miskolc, 2010

2 TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS A FELADAT MEGFOGALMAZÁSA A TERVEZÉSI FOLYAMAT MÓDSZEREI ÉS A HATÉKONYSÁGÁNAK NÖVELÉSE Az integrált termék-előállítás kialakulása A koncepcionális tervezés folyamata A tervezés szélesedő és szűkülő folyamat sajátosságai, konkrét alkalmazása Megoldáskeresés általános módszere MEGOLDÁSVARIÁCIÓK BEMUTATÁSA A felfüggesztések kialakítási típusai Merev (kapcsolt) kerékfelfüggesztések Független kerékfelfüggesztés A kormányművek kialakítása MEGOLDÁSKERESÉSEK Megoldáskeresésé a felfüggesztésre Az elkészült felfüggesztés Megoldáskeresés a kormányműre Az elkészült kormánymű ÖSSZEFOGLALÁS FELHASZNÁLT IRODALOM

3 1. BEVEZETÉS A korszerű járműgyártás a közelmúltban egyre intenzívebben foglalkozik az alternatív energiák felhasználásával. Az energiák, melyek rendelkezésre állhatnak sokfélék lehetnek, például éghető folyadékok és gázok (a kémiai hatáselvet érvényesítve), a fény és a levegő (fizikai hatáselveken történő átalakítás révén). Az energia tárolása és átalakítása a műszaki szerkezeteknek és az konstrukciós megoldásának fontos része. A levegő, mint energiahordozó zárt tartályokban a tároló által meghatározott nyomási energiát tárol, és azt képes felszabadítani. A jármű, melynek fejlesztésében részt vettem, az energiatárolás levegős elvét használta. Az energia felszabadítását a lineáris mozgás és a körmozgás létrehozása és átalakítása révén biztosítja. A jármű összfunkcióját tekintve több olyan részfunkcióra bontható, melyek különkülön is fontos tervezési, megoldáskeresési feladatot jelent a konstruktőr számára [1]. Ilyen részfunkciónak tekinthető a jármű kormányzása és futóműve. Ezek a részfunkciók jól elhelyezhetők és értelmezhetők a jármű teljes funkcióstruktúrájában. A feladat megoldásához tervezésmódszertani ismeretek birtokában lehet eljutni [1]. A dolgozat röviden foglalkozik a módszertani ismeretekkel. szakirodalomi kutatással és konkrét megoldási javaslat kidolgozásával, a megvalósított megoldás megjelenítésével. 2. A FELADAT MEGFOGALMAZÁSA A jármű szerkezet fejlesztésének fontos elem az első futómű kialakítása, a kormányzás biztosítása. A járművet adott műszaki paraméterek mellett kellett megtervezni és megépíteni. Ezért fontos kritérium volt, hogy: az öntömeg minimális legyen, a minimális forduló sugár R=4 méter legyen, a lehető legegyszerűbb elemeket tartalmazza, 3

4 viszonylag könnyű kormányzást biztosítson, a kerék dőlésszögei viszonylag könnyen állíthatók legyenek. 3. A TERVEZÉSI FOLYAMAT MÓDSZEREI ÉS A HATÉ- KONYSÁGÁNAK NÖVELÉSE 3.1 Az integrált termék-előállítás kialakulása Egy termék előállítása, kialakítása az igény megjelenítésétől egészen a termék értékesítéséig tart. A tervezés menetét több, jól elhatárolható folyamat elemre lehet osztani. [2] Ezek a folyamatok terméktervezés, a konstrukciós tervezés, a gyártás előkészítése, valamint maga a gyártás és az értékesítés. A történelem során nem csak maguk a termékek, hanem a tervezés folyamata, a termék-előállítás is változott. A változás folyamatát az 1. ábra szemlélteti. Szakaszolt (hagyományos) Integrált Terméktervezés Terméktervezés Terméktervezés Terméktervezés F Konstrukciós tervezés Gyártáselőkészítés, kalkuláció Konstrukciós tervezés Gyártáselőkészítés, kalkuláció F Konstrukciós tervezés Gyártáselőkészítés, kalkuláció Integrált termékfejlesztés: SE, Konstruálás, Gyártáselőkészítés, Próba, Kereskedelem, Ellenőrzés F Gyártás Gyártás Gyártás Gyártás esítés esítés esítés esítés Felhasználás Felhasználás Felhasználás Felhasználás a) Szakaszokra bontott termékelőállítás b) A termék előállítás korábbi szakasza után az F-ben szabad döntés c) A konstrukció gyártásés költség elemzése d) A Integrált termék előállítás SE- technikával 1. ábra: A termék-előállítás folyamatának változása, fejlődése 4

5 Eleinte az ún. szekventált termék-előállítás volt jellemző (1/a). Itt a tervezés különböző szakaszaival egymástól teljesen függetlenül foglalkoztak, vagyis a tervezés folyamata lineáris felépítésű, a következő szintre csak az adott folyamat teljes elvégzése után lehet lépni. A tervezési folyamat visszacsatolás nem tartalmaz, vagyis miután a tervezés következő szintjére léptünk, nincs lehetőség az előző szakaszokra történő visszatérésre. Visszacsatolás csak a tervezési folyamat szakaszain belül található. Ennek a továbbfejlesztése az 1/b ábrán látható. Termék-előállítás során előfordulhat, hogy egy hibát, vagy hiányosságot csak később, a tervezés egy későbbi szakaszában ismerünk fel. Az 1/a ábrán látható folyamat nagy hátránya, hogy az ilyen hiba nem jól javítható. Az 1/b ábrán jól látható, hogy minden egyes szakasz után döntés helyezkedik el, vagyis a tervezett termék visszaküldhető megfontolásra, javításra. A tervezés szakaszai viszont még mindig önállóan, a többi folyamattól teljesen függetlenül működnek, azok között közvetlen kapcsolat nincs. Az 1/b ábrán látható folyamat nagy hátránya, hogy az F pontokban látható döntés esetén a tervezés legelejére kell visszatérni. A valóságban viszont szorosabb kapcsolat csak termék-előállítás két legfontosabb szakasza, a konstrukciós tervezés és a gyártáselőkészítés, kalkuláció között közvetlen kapcsolat áll fenn. Ez az 1/c ábrán látható. A fent említett két tervezési szakasz gyakorlatilag párhozamosan dolgozik. Ennek a továbbfejlesztése az ún. integrált terméktervezés (1/d), ahol a konstrukciós tervezés és a gyártás-előkészítés már olyan szinten összefonódott, hogy az teljes egészében egy szakaszon belül zajlik. Külön folyamatként egyedül a terméktervezés, vagyis a koncepció megalkotása, maga a gyártás és az értékesítés marad meg. 3.2 A koncepcionális tervezés folyamata A koncepcionális tervezés folyamata a 2. ábrán látható. A tervezési folyamatot minden esetben egy igény megjelenése előzi meg. Az igényt a környezet, a piac, vagy maga a vállalat fogalmazza meg. Az igény megjelenése és a pontos célmeghatározás után létrehozható az ún. igényjegyzék. Az igényjegyzékkel feladatkitűzés pontosítható, termékkel kapcsolatos elvárások fogalmazhatók meg. Az 5

6 igényjegyzéket úgy kell elkészíteni, hogy a megoldás variációkat közben egyáltalán, vagy a lehető legminimálisabban korlátozzuk. [1] 2. ábra: A koncepcionális tervezés folyamata A célkitűzés és az igényjegyzék létrehozásával meghatározhatók azon funkciók öszszessége, melyekkel az adott terméknek rendelkeznie kell. Ezen funkciók segítségével létrehozhatóak a funkcióstruktúrák. A megalkotható funkcióstruktúrák variációja olyan nagy, hogy valamilyen vizsgáló eljárásra van szükség. Ezért a funkcióstruktúrákon vizsgálatot, ún. hatásfelismerést végzünk, amely hatásstruktúrákat hozunk létre A hatáshordozók felismerésével és a funkciók kombinációjával létrehozhatók a megoldáselvek. Természetesen a megoldáselvek sok olyan megoldást is tartalmaznak, melyek csak elvi szinten létezhetnek, vagyis a feladatukat ténylegesen nem képesek ellátni. Ezen megoldások kiszűrése után valamilyen optimalizáló eljárás során kiválasztható az adott feladatra legideálisabb megoldáselv. 6

7 A megoldáselven már elvégezhető a formaadás, vagyis a formaszintézis, majd a méretadás, a méretszintézis is. Majd a megfelelő termékpróbák elvégzése és megfelelőssége esetén megkezdhető a gyártás. Természetesen a fent említett folyamat során a részfolyamatok között vizsgálatokra, értékelésre van szükség. Ha a kialakított koncepció nem megfelelő, akkor a tervezési folyamatban vissza kell lépni, akár a követelmények kiegészítése mellett a tervezést teljesen az elejéről újrakezdve. 3.3 A tervezés szélesedő és szűkülő folyamat sajátosságai, konkrét alkalmazása A tervezési folyamat bemutatását az általános leírás mellett a mi konkrét példánkon, vagyis a sűrített levegővel hajtott jármű segítségével mutatjuk be. A tervezési folyamata sematikus ábrája a 3. ábrán látható. Alkatrész Alkatrész gyártás Részfunkció Megoldás elv Modul Alkatrész Alkatrész gyártás Összfunkció Koncepció Modul Rajz Alkatrész Alkatrész gyártás Szerelés Részfunkció Megoldás elv Modul Alkatrész Alkatrész gyártás Alkatrész Alkatrész gyártás Egész Rész Egész Rész Egész Rész Egész 3. ábra: Tervezés folyamata Elsőként meg kell határozni az ún. összfunkciót, vagyis a komplett termékhez tartozó funkciók összességét. Ez a mi esetünkben a sűrített levegővel működő jármű. Az összfunkció több részfunkcióra bontható, melyekkel külön-külön egymással párhuzamosan lehet foglalkozni. Ilyen részfunkciók például a felfüggesztés, a hajtómű, vagy a kormánymű. Ezek valóban függetlenek egymástól, vagyis párhuzamosan elvégezhető 7

8 a tervezés. Minden egyes részfunkcióra megoldási elvek találhatók, amelyek az adott részfunkcióknak teljes egészében megfelelnek. A megoldáselvek összessége létrehozza a koncepciót, vagyis a termék konkrét elképzelését. Vagyis nem csak azt kell eldönteni, hogy például milyen jellegű legyen a felfüggesztés vagy a kormánymű, hanem a teljes jármű ötletét is létre kell hozni, meg kell vizsgálni a modulok egymásra hatását is. Ezzel megalkotható a jármű teljes koncepciója. A koncepciót újra modulokra bontva azok pontos kialakítása külön-külön megtervezhető. Ezzel a tervezési idő is lecsökkenthető, amennyiben a tervezéssel egy csapat, egy team foglalkozik. A jármű részegységeinek pontos kialakításával már a könnyebb kezelhetőség miatt is külön kell foglalkozni. Majd a modulok tervét és rajzait egy teljes egésszé kell összeállítani, vagyis meg kell alkotni a jármű komplett összeállítási rajzát. Így a modulok az egymáshoz viszonyított helyzetei, valamit a kapcsolódási pontok kialakíthatók. Végeredményként az alkatrészrajzokat szintén külön-külön kell elkészíteni, majd külön-külön kell a gyártástervezésüket elvégezni. Az elemek, alkatrészek gyártása szintén külön-külön folyik, majd szereléskor újra egy teljes egységgé, egy egésszé állnak össze. Megfigyelhető, hogy a termék kialakítása során egy egészből indulunk ki, amit a kialakítás során többször is részekre feldaraboljuk, amiket újra és újra egy egésszé állítunk össze. Vagyis a tervezési folyamat közben felváltva hol szétszedjük hol újra egy egésszé összeállítjuk a terméket, illetve az aktuális koncepciót. 3.4 Megoldáskeresés általános módszere A tervezési folyamat bármely szakaszában problémákkal találhatja szembe magát a konstruktőr. Az adott feladat, vagy probléma ideális megoldásának megtalálására megoldáskereső eljárásra van szükség. A megoldáskeresés elvi vázlata a 4. ábrán látható. Minden megoldáskeresés kiindulási pontja egy feladat, vagy a probléma, végeredménye pedig maga a megoldás. Cél, az adott problémára a legideálisabb megoldás megtalálása. 8

9 Elsőként magát a feladatot, a problémát kell több irányból is megvizsgálni. Nem csak a követelményeket, az elvárásokat kell felállítani, hanem a várható végterméket is alapos vizsgálat alá kell tenni. Fel kell tárni annak a gyengéit, és a gyengeségek okait is. Természetesen már a feladat felvetése esetén kialakulhat mindenkiben egy megoldás. Viszont nem biztos, hogy a legjobb megoldás jutott az eszünkbe, ezért az adott ötletet nem szabad azonnal végrehajtani, hanem a többi lehetséges megoldással együtt kell megvizsgálni azt. Feladat (Probléma) I) A feladat megvilágítása - Követelmények feltárása - A végtermék analizálása (gyengeségek, okok) - Ezek strukturálása - Első megoldás-gondolatok? I b) A feladat megvilágítása II a) Megoldások keresése - A megoldástér rögzítése - Megoldások keresése - Megoldások konkretizálása? - A feladat absztrahálása - A feladat strukturálása II b) Megoldások keresése - - Új Új megoldások és és variációk keresése III) Megoldás kiválasztása - Megoldások analizálása - Megoldások értékelése - Megoldás rögzítése (döntés Megoldás 4. ábra: A megoldáskeresés vázlata A problémamegoldás második szakaszában a megoldáskeresést végezzük el. Ebben a szakaszban nem csak a megoldás-variációk és keresése, hanem annak konkretizálását is elvégezzük. A megoldáskeresés során szükséges egy visszautalásra, vagyis a feladat újbóli megvizsgálásával új megoldáselveket, megoldás-variációkat kell keresni. Az összes lehetséges megoldáselv megtalálása esetén az ideális megoldás kiválasztása a feladat. Ezt a megoldások analizálása, értékelése révén érhetjük el. Az értékelés se- 9

10 gítségével a megoldás-variációk közül dönteni kell, ezáltal az ideális megoldást megtalálható. Az ideális megoldás megtalálása után már mindössze csak maga a feladat konkrét megoldása, elvégése van hátra. 4. MEGOLDÁSVARIÁCIÓK BEMUTATÁSA 4.1 A felfüggesztések kialakítási típusai A megfelelő menettulajdonságú, biztonságosan üzemelő gépjármű csak célszerűen megválasztott, helyesen kialakított futóművekkel és kerékfelfüggesztéssel valósítható meg. A futómű nem más, mint a kerékszerkezet, a kerekek felfüggesztése és egymáshoz való kapcsolása. A futóművek szerkezeti elemei közé soroljuk a járművek rugózását, lengéscsillapítóját és a stabilitást biztosító szerkezeti elemeket, valamint a kerékhajtások szerkezetét. A futóművek feladata: a jármű önsúlyából és terhelésből származó erőhatások felvétele a hajtásból, ill. a fékezésből származó forgatónyomatékok továbbítása a felépítmény felé a gépjármű és az út közötti folyamatos kapcsolat létrehozása és fenntartása A futóművek csoportosíthatók: 1. Hajtásuk alapján: hajtott futóművek nem hajtott futóművek 2. kialakításuk alapján: merev (vagy kapcsolt) kerékfelfüggesztés lengőtengelyes kerékfelfüggesztés független kerékfelfüggesztés 3. kormányzásuk alapján kormányzott nem kormányzott 10

11 4.2 Merev (kapcsolt) kerékfelfüggesztések A merev tengelyes konstrukciónál a jármű két oldalán lévő kerek tengelye párosával egymáshoz van rögzítve, és együtt rugózik a karosszériához képest. Merev tengelyeknél a kerékösszetartás és a csaputánfutás nem változik. Ha az egyik kerék akadályon gördül át, akkor az egész tengely ferde helyzetbe kerül, és a kerék dőlésszöge megváltozik. A merev tengelyek előnye az egyszerű és stabil felépítés és az állandó kerékhelyzet, hátránya hogy az útról érkező lökések az egész tengelyre hatnak, tehát a másik kerékre is. Az úttal való kapcsolat nem kielégítő. Napjainkban elsősorban tehergépkocsiknál és buszoknál alkalmazzák Merev tengelyek típusai Ha a merev tengely hajtott, akkor általában a differenciálművel egy egységbe, a hátsó tengely házaként van kialakítva. Így a rugózatlan tömegek elég nagyok. A merev hátsótengely kialakítási vázlatát az 5. ábra mutatja. 5. ábra: Merev tengely keresztirányú (Panhard-) rúddal [7] Nem hajtott merev tengelyek esetén alkalmazhatnak kapcsolt lengőkaros (6. ábra), vagy csatolt lengőkaros (7. ábra) tengelyt is. 11

12 6. ábra: Kapcsolt lengőkaros felfüggesztés [7] 7. ábra: Csatolt lengőkaros felfüggesztés [7] Merev felfüggesztés esetén, ha a tengely egyben kormányzott is, akkor ún. öklös, villás vagy tornyos tengelyvégeket alakítanak ki, így a tengelycsonkok elfordíthatókká válnak. Ezt a kialakítást a 8. ábra mutatja. 8. ábra: Különféle tengelyvég-kialakítások (a, villás; b, öklös; c, tornyos) [4] 12

13 4.3 Független kerékfelfüggesztés Független kerékfelfüggesztés esetén az egy tengelyen elhelyezkedő kerekek egymástól teljesen függetlenül tudnak rugózni, az alvázhoz teljesen függetlenül vannak hozzákapcsolva. Előnye, hogy az útról jövő erők csak az eltérített kerekekre hatnak, valamint hogy a jármű rugózatlan tömege kicsi. Hátránya, hogy a kialakítása bonyolult és költséges. A lengőkarok helyzete alapján megkülönböztetünk: keresztlengőkaros, hosszlengőkaros, és ferdelengőkaros felfüggesztéseket. Ezeket az alapváltozatokat a 9. ábra mutatja. 9. ábra: Független kerékfelfüggesztés alapváltozatai [5] Keresztlengőkaros felfüggesztés A legegyszerűbb keresztlengőkaros felfüggesztésekben magát a kereket tartó féltengelyt használják fel. Ez az ún. lengőtengelyes felfüggesztés. Ezt szemlélteti a 10. ábra. Hátránya, hogy rugózáskor mind a kerékdőlés, mind a nyomtáv változik. 13

14 10. ábra: Lengőkaros felfüggesztés vázlata [4] Másik megoldás, ha az alvázhoz elfordíthatóan csapágyazott, a kerékagyhoz pedig gömbcsuklókkal csatlakoztatott keresztirányú lengőkarral vannak felfüggesztve. Előnye, hogy a lengőkarok egymáshoz viszonyított helyzetének megváltoztatásával a jármű tulajdonságai igény szerint módosíthatók. A sport- és versenyautóknál is elsősorban ilyen felfüggesztéseket alkalmaznak. A lengőkarok egymáshoz viszonyított hossza alapján két típust különböztetünk meg: lehet paralelogrammás, valamint trapéz lengőkaros felfüggesztés. Ezeket a 11. ábra mutatja. 11. ábra: Keresztirányú felfüggesztések (a, paralelogrammás; b, trapézkaros) [4] A paralelogrammás lengőkar esetén nincs kerékdőlés változás, viszont a nyomtáv változik, valamint a kerék oldalirányba kúszik rugózás közben, ezért az könnyen megcsúszhat. Trapéz lengőkar esetén a nyomtáv nem változik, viszont a kerékösszetartás és a kerékdőlés igen. 14

15 A keresztlengőkaros felfüggesztés egy másik megoldása, ha a felső lengőkart magára a rugóra, ill. a lengéscsillapítóra cseréljük ki. Ez az ún. McPherson-felfüggesztés. Előnye, hogy mind a nyomtávváltozás, mind a dőlésváltozás csekély, a két felfüggesztés között viszonylag nagy hely marad (pl. a motor beépítésére), valamint az úttal való kapcsolat és az útfekvés nagyon jó. Hátránya, hogy az erők és a zajok közvetlenül a felépítményre adódnak át, viszonylag nagy a beépítési magassága, valamint különösen erős dugattyúrúdra van szükség hozzá. Kialakítását a 12. ábra mutatja. 12. ábra: McPherson felfüggesztés [4] Hosszlengőkaros felfüggesztések A hosszlengőkaros felfüggesztések kialakításában két típust különböztetünk meg az alapján, hogy egy, vagy két lengőkart alkalmazunk. Az egy hosszlengőkaros felfüggesztés gyakran alkalmazzák elsőkerék-hajtású járművek hátsó tengelyeként, mert így a hátsó tengelyek között a csomagtér mélyebbre helyezhető. Kialakítását a 13. ábra mutatja. 15

16 13. ábra: Egy hosszlengőkaros felfüggesztés [7] A kettős hosszlengőkaros felfüggesztés a kerekeket hosszirányú paralelogramma mentén vezeti. Eközben sem a kerékösszetartás, sem a kerékdőlés nem változik, ezért különösen alkalmas a kormányzott kerekekhez. Kialakítása a 14. ábrán látható. 14. ábra: Kettős hosszlengőkaros felfüggesztés [7] Ferde lengőkaros felfüggesztés A ferde lengőkaros tengelyek a hosszlengőkaros és a csuklós lengőtengelyek előnyeit egyesítik, a hátrányos tulajdonságaik nélkül. A lengőkarok ágyazása általában a kereten vannak. A kerékösszetartás és dőlés változásai a ferde lengőkarok ferdeségétől és a hajlásszögtől függnek, ezek a jármű menetsajátosságaihoz illeszthetőek. Kialakítását a 15. ábra mutatja. 16

17 15. ábra: Ferde helyzetű lengőkaros felfüggesztés [7] Előnye, hogy az útfekvése nagyon jó, jól vesz fel hossz- és keresztirányú erőket, valamint a nyom- és oldalváltozás csekély. 4.4 A kormányművek kialakítása A kormányműveknek két fontos feladata van. A vezető ennek segítségével képes irányt változtatni, valamint a haladási irányt megtartani, ezért minden gépjárműben alapvető. Alapvetően két típusa van: forgózsámolyos kormányzás tengelycsonk (Ackermann) kormányzás A forgózsámolyos kormányzás estén az egész tengely egy elemként fordul el, míg tengelycsonk kormányzás esetén csak a tengelyek végei fordulnak. Személygépkocsikban az első tengely Ackermann kormányzása terjedt el. A gépjárművekben négy féle kormányművet alkalmaznak. Ezek a következőek: Fogasléces kormánymű Csigás-kormánymű Globolid csigás kormánymű Golyósorsós kormánymű Fogasléces kormánymű A kormánykerék tengelyén lévő fogaskerékkel azt forgatva a fogaskerékhez kapcsolódó fogaslécet a menetirányra merőlegesen eltolja. A fogasléchez kapcsolódik a kor- 17

18 mányösszekötő rúd, mely a kerekeket elfordítja. Előnye az egyszerű szerkezet, mely kevés elemet tartalmaz, valamint hogy a fogaskerék holtjátéka utánállítható. Lapos kivitele miatt csekély a helyigénye. Kialakítása a 16. ábrán látható. 16. ábra: Fogasléces kormánymű [6] Csigás-kormánymű A kormánykerék tengelyére egy csiga (kormánycsiga) van szerelve. A kormánycsiga forgatásakor a kúpos görgő legördül a kormánycsiga menetoldalán, ezáltal a görgő eltolódik. Ez a mozgás a kormánytengelyen keresztül lengő mozgássá alakul át. Előnye, hogy a kormánycsiga és a kormánytengely holtjátéka valamint a görgő és a csigamenet közötti holtjáték utánállítható. Ezen kívül az elemek között csekély súrlódás ébred, ezáltal a kopás csekély. Kialakítása a 17. ábrán látható. 17. ábra: Csigás-kormánymű [6] 18

19 4.4.3 Globolid csigás kormánymű A kormánykerék tengelyére egy globolid csigát szerelnek. A kormányműtengelyre szerelt két- vagy háromhornyú kormánygörgő a csiga palástján gördül le, ezáltal a kormányműtengelyt, és az irányítókart forgatja. Előnye, hogy utánállítható, valamint a súrlódás csekély. Kialakítása a 18. ábrán látható. 18. ábra: Globolid csigás kormánymű [6] Csavarorsós kormánymű Kormányzásnál a kormányorsó forgatásával az acélgolyókat mozgásra kényszerítjük, ezen keresztül a kormányanyát tengelyirányba eltoljuk. Előnye, hogy a gördülő súrlódás következtében könnyű kormányozni, valamint hogy a holtjáték utánállítható. Kialakítása a 19. ábrán látható. 19. ábra: Csavarorsós kormánymű [6] 19

20 4.4.5 Megvalósított kormánymű kialakítások A fenti szerkezetek hátránya, hogy műhelykörülmények között nehezen, vagy egyáltalán nem állíthatók elő, beszerzésük körülményes, ezen kívül új járműhez történő illesztésük nehezen megoldható. A következő két kormánymű műhelykörülmények között is könnyen létrehozható. Az első ilyen megoldás esetén a kormánykerék tengelyére egy excenterkart helyezünk, a karhoz pedig egy tolókart rögzítünk. A tolókar másik vége a kormánytrapéz nyomtávkarjához kapcsolódik. A kormány forgatásával a tolókar a menetirányra merőleges mozgást végez, ezáltal fordítva a kerekeket. Előnye, hogy könnyen létrehozható, kevés elemet tartalmaz. Hátránya, hogy a kormány áttétele kicsi, ezáltal a kormányzás nagyon direkt, ami szokatlan kormányzást eredményez. Kialakítását a 20. ábra mutatja. 20. ábra: Excenterkaros kormánymű Másik megoldás esetén a kormányzást egy bowden segítségével oldjuk meg. A kormánymű tengelyére egy menetes elemet rögzítünk, melyen egy bowdent vezetünk át oly módon, hogy a kötél két végét az irányítókarokhoz rögzítjük. A kormányt forgatva a bowden egyik vége közeledni fog a kormánykerék tengelyéhez, míg a másik távolodik, ezáltal a forgatva a kerekeket. Előnye az egyszerű és könnyű szerkezet, a kis hely- 20

21 igény, valamint hogy a kormánykeréknek nem kell közvetlenül kapcsolódnia a kormányszerkezet egyéb elemeihez, hiszen a bowden bowdenház segítségével a térben akárhová elvezethető. Hátránya, hogy a bowden nyúlik, ezáltal azt időnként után kell feszíteni. Kialakítása a 21. ábrán látható. 21. ábra: Bowdenes kormánymű 5. MEGOLDÁSKERESÉSEK A felfüggesztés és kormánymű megfelelő kialakítása előtt döntést kell hozni, hogy a fent felsorolt variációk közül melyiket alkalmazzuk. A megfelelő részegység kiválasztásához egy megoldáskereső eljárásra van szükség. Először fel kell állítani egy kritériumrendszert, vagyis meghatározzuk azon kritériumok összességét, melynek az adott részegységnek meg kell felelnie. A kritériumok meghatározása után fel kell állítani a kritériumok fontossági sorrendjét, meghatározni azok erősségét. Ezt az ún. rangmódszerrel végezzük el. A rangmódszer lényege, hogy 21

22 az egyes kritériumokat a relatív fontosság elve szerint összehasonlítjuk., majd rangsoroljuk őket. Ez azt jelenti, hogy két egymás mellé állított kritériumról kell eldönteni, melyik fontosabb a másiknál. Ha ezt az összes kritériumpár között megtesszük, akkor azok sorrendje felállíthatóvá válik. A sorrend felállításával minden kritériumhoz egyegy súlyozási értéket lehet meghatározni. A kritériumok, illetve azok fontossági sorrendjének felállítása után megvizsgáljuk, hogy az adott megoldási elv a vizsgált kritériumot milyen mértékben teljesíti. A teljesítés mértékét egy 1 és 5 közötti skálán határozzuk meg, ahol az 1 a legrosszabb, míg az 5 a legjobb teljesítést jelenti. Például ha az értékelő kritérium a termék alacsony tömege, akkor a legkönnyebb szerkezet 5 pontot, míg a legnehezebb 1 pontot fog kapni. Az így kapott értéket beszorozzuk a kritérium súlyozásával, ezzel meghatározva, hogy az adott értékrendszer egy kritériumát mennyire teljesíti a vizsgált megoldás. A fenti vizsgálatot az összes kritérium szerint elvégezzük, majd a kapott értékeket öszszeadva egy olyan mérőszámot kapunk, amely segítségével a megoldáselvek már egzaktul összehasonlíthatóvá válnak, ezáltal könnyedén dönteni lehet köztük. 5.1 Megoldáskeresésé a felfüggesztésre A kritériumok meghatározása, súlyozása A felfüggesztésnek a következő kritériumokat kell teljesítenie: Egyszerűség Alacsony tömeg Kormányozhatóság Egyszerű kivitelezés Beállíthatóság Könnyű szerelhetőség Alacsony költség Jármű stabilitása Helyigény 22

23 Fontos, hogy a felfüggesztés viszonylag kevés elemet, alkatrészt tartalmazzon, vagyis egyszerű legyen. Ezt fejezi ki az egyszerűség feltétel. Az alacsony tömeg két okból is jelentős a felfüggesztés szempontjából. Egyrészt a lengő tömeget, mely rugózáskor a kerékkel együtt mozog minimalizálni kell, másrészt kis tömeg esetén az egész jármű könnyebb lesz, ezáltal a sebessége növelhető. A kormányozhatóság feltétel az első felfüggesztés kialakítása szempontjából jelentős. A 2. pontból kiderült, hogy vannak felfüggesztések, melyek a szakirodalmak szerint inkább az első, kormányzott, míg másokat a hátsó, vagyis a hajtott felfüggesztéshez ajánlanak. A jármű elől rugalmas, míg hátul merev felfüggesztéssel készül. A dolgozat feladata csak az első, vagyis a rugalmas felfüggesztés megtervezése, ezrét fontos a kormányozhatóság szempont. A jármű egyedi gyártásban készül. vagyis részegységeit műhelykörülmények között kell legyártani. Az egyszerű kivitelezés ennek a feltételnek való megfelelést jelent. Hasonló elvet követ a könnyű szerelhetőség kritérium is, hiszen a részegységek összeállításakor nem állnak rendelkezésünkre bonyolult szerelő egységek, a szerelést kézzel, vagy kézi szerszámok segítségével kell megoldani. A felfüggesztés helyes működése szempontjából ideálisra kell hangolni azt. Ezt csak kísérletezés útján lehet elérni, vagyis a felfüggesztésnek utólag, annak összeszerelése után is beállíthatónak kell lennie. Az utólagos beállításra a gyártási pontatlanságok miatt is szükség van. Ezt a feltételt fejezi ki a beállíthatóság kritérium. A jármű előállítását gyakorlatilag magunknak finanszírozzuk. Ezért szükséges a költségek alacsony szinten tartása. Természetesen nem ez lesz az elsődleges szempont, hiszen a cél egy jól működő, és megbízható felfüggesztés létrehozása, ami esetenként a költség rovására is mehet. A jármű biztonságos tesztelése és működése érdekében fontos, hogy az menet közben megfelelően stabil, jól irányítható, és iránytartó legyen. Erre utal a jármű stabilitása kritérium. A helyigény minimalizálásával maga a jármű is kisebbé, ezáltal könnyebbé, valamint könnyebben szállíthatóvá tehető. A kritériumok összehasonlítását az 1. táblázat tartalmazza. 23

24 1. táblázat A felfüggesztés kritériumainak összehasonlítása A kritériumok sorrendjének felállítására összehasonlító táblázatot építünk fel. A táblázat első sora és első oszlopa az értékelendő kritériumokat tartalmazza. Két kritériumot azok a sorának és az oszlopának metszéspontjában lehet vizsgálni. Két kritérium vizsgálata esetén négy módon dönthetünk: vagy az egyik, vagy a másik kritérium fontosabb, a fontosságuk megegyezik esetleg nem tudjuk eldönteni a fontosságot. Ha az első a fontosabb, akkor egy + jele, ha a második, akkor egy - jelet, ha fontosságuk megegyezik, akkor 0, és ha nem tudjuk eldönteni, akkor egy? írunk az adott pontba. Kis tömeg Egyszerű kivitelezés Könnyű szerelhetős Alacsony költség Jármű stabilitása A kritériumok fontosságának meghatározásához soronként összeszámoljuk a jelek értékét. A + egy pontot, a 0 fél pontot, még a másik két jel nulla pontot ér. Így kialakítható a kritériumok közötti rangsor. A 2. táblázatban feltüntettük a súlyozáskor figyelembeveendő értéket is. Et a Pontszám elnevezésű oszlop tartalmazza. Helyigény (+) Sorrend Pontszám Egyszerűség V. 5 Kis tömeg ,5 VI. 4 Egyszerű kivitelezés Könnyű szerelhetőség II VII. 3 Beállíthatóság ,5 IV. 6 Egyszerűség Beállíthatóság Kormányozhatóság Alacsony költség Jármű stabilitása Kormányozhatóság IX II I. 9 Helyigény VII A felfüggesztések értékelésének elvégzése A felfüggesztéstípusok értékelését a 2. táblázat tartalmazza. 24

25 2. táblázat A felfüggesztések értékelése Felfüggesztés típusok/kritériumok Egyszerűség Súlyozással Egyszerű Kis tömeg kivitelezés Súlyozással Súlyozással Könnyű szerelhetőség Súlyozással Beállíthatóság Súlyozással Költség Súlyozással Stabilitás Súlyozással Kormányozhatóság Helyigény Súlyozással Súlyozással Összpontszám Helyezés Merev, kapcsolt VI. Merev, csatolt VII. Keresztlengőkaros, paralelogrammás IV: Keresztlengőkaros, trapéz I. McPherson III. Egy hosszlengőkaros V. Kettős hosszlengőkaros II. A helyes felfüggesztés kialakításához a 2. pontban már említett változatok közül ki kell választani a számunkra legideálisabb megvalósítási elvet. A felfüggesztések értékelése a 2. táblázat mutatja. Összesen nyolc felfüggesztés összehasonlítását végeztük el. A felfüggesztéseket az értékelési kritériumok szerint vizsgáljuk, eldöntjük, hogy az adott kritériumot mennyire képes teljesíteni az. Az értékelés egy 1-5 közötti skálán történik. A táblázat tartalmazza a felfüggesztések adott kritérium szerinti értékelését, és a súlyozott értéket is. A súlyozás a felfüggesztés adott kritériumra vonatkozó értékelése, és a kritériumhoz tartozó pontszám szorzata. A súlyozott pontszámokat összeadva meghatározható az adott felfüggesztés összpontszáma. Ebből egyértelműen kiderül, hogy a mi célunknak leginkább a pontban ismertetett trapéz lengőkaros keresztirányú felfüggesztés felel meg. Az elvi vázlata a 22. ábrán látható. 22. ábra: A kiválasztott felfüggesztés [4] 25

26 5.1.3 A megoldás elvi felépítésének bemutatása A felfüggesztés elvi felépítését ún. funkcióstruktúra segítségével mutatjuk be. A funkcióstruktúra egy sematikus ábrázolás, ahol mindössze az adott funkciók egymáshoz viszonyított elvi elhelyezkedését, és az adott funkció típusát határozza meg, míg a konkrét megvalósításokat nem. A funkciókat jelölésére különböző egyszerű jeleket alkalmazunk. Ezek a 23. ábrán láthatók. a, Energiatárolás, kinyerés b, Összekapcsolás c, Összekapcsolás a forgás szabdonhagyásával d, Talaj d, Kerék 23. ábra: A felfüggesztésnél felhasznált funkciók [1] Természetesen ezen kívül egyéb funkciókat is alkalmazunk, azokat viszont szöveggel láttuk el, így a jelentésük egyértelmű. A felfüggesztés funkcióstruktúrája a 23. ábrán látható. A felfüggesztés legfőbb feladata a jármű és a talaj közötti kapcsolat biztosítása, vagyis a talajt (1) a kerékkel (2) kapcsolatba kell hozni (3), ezzel létrehozva a földfelszínen történő haladás alapfeltételét (4). Mint már említettük, a jármű első felfüggesztése rugalmas. Ezért szükség van egy energiatárolóra (1), ahol az úttest és a kerék közötti folyamatos kapcsolat biztosításához szükséges energiát tároljuk. Ezt az energiatárolót a vázzal (6) forgatható módon (7) kapcsoljuk össze. 26

27 Váz Villa Váz Felfüggesztés 9 Villa Tengely Kormánytrapéz 24. ábra: A felfüggesztés elvi felépítése A váz még további két elemmel áll kapcsolatban, a villa 1-el (8), és a villa 2-vel (9). A villák is oly módon kapcsolódnak a vázhoz, hogy az egy tengely körüli elfordulás még megengedett legyen. (10 és 11). A villa 2-höz kapcsolódik ugyan csak forgatható módon (12) a fent említett energiatároló. Mint látható a felfüggesztésben viszonylag sok mozgás van megengedve. Erre azért van szükség, hogy a rugalmas felfüggesztés szabad mozgását semmilyen módon ne korlátozzuk. 27

28 A talajjal érintkező kereket a tengelyhez (13) rögzítjük a 14-es funkcióval, majd az így létrehozott szerkezethez ugyan csak hozzárögzítjük (16) a kormánytrapézt (15) is. A kormánytrapéz biztosítja kanyarodáskor a kerekek megfelelő elfordulását. A fenti leírás alapján a szerkezetünk tulajdonképpen három már összeszerelt egységből áll: a villa 1-ből, a villa 2-ből, mely tartalmazza az energiatárolót is, valamint a tengelyből, melyre a kereket és a kormánytrapézt is rögzítettük. Ezt a három elemet szintén oly módon kell összekapcsolni, hogy köztük a szabd elfordulás biztosítva legyen (17). Az így létrehozott szerkezet már képes a felfüggesztés feladatait ellátni. 5.2 Az elkészült felfüggesztés A fent leírt felfüggesztés kialakítása a 24. ábrán látható. 25. ábra: Az elkészült felfüggesztés 28

29 Az elkészült felfüggesztésen megfigyelhető a funkcióstruktúrában bemutatott elemek, mint a tengely a kerékkel és a kormánytrapézzal, a felső lengővilla, valamint az alsó lengővilla az energiatárolóval, vagyis a rugóval. 5.3 Megoldáskeresés a kormányműre A kormánymű kiválasztását a felfüggesztéshez hasonló módon végezzük. Itt is felállítunk egy kritériumrendszert, majd meghatározzuk a kritériumok fontossági sorrendjét, végül elvégezzük a kormányműtípusok értékelését A kritériumok meghatározása A kormányművel szemben támasztott kritériumok a következők: Egyszerűség Alacsony tömeg Egyszerű kivitelezés Beállíthatóság Könnyű szerelhetőség Alacsony költség Áttétel Helyigény Kis veszteségek A kritériumok egy részét a felfüggesztésnél már bemutattuk. A két kritériumrendszer között átfedés található. Ez abból adódik, hogy az egész járművet, és vele együtt a kormányművet is műhelykörülmények között kell létrehozni, ezáltal ugyan azoknak a feltételeknek kell megfelelnie. A kritériumok között megtalálható az áttétel is. A kormánymű áttétele megmutatja, hogy a kormánykerék szögelfordulása a kerék hány fokos elfordulását eredményezi. Képletben: ahol: i ω az szögáttételi viszonyszám i ω = dφ dβ 29 (1)

30 dφ a kormánytengely szögelfordulása dβ a kerék szögelfordulása Minél kisebb ez a viszonyszám, a kormánymű annál direktebb. Direkt kormányzás esetén a kormánykeréken csak keveset kell fordítani ahhoz, hogy a kerék egyik véghelyzetből a másik véghelyzetbe kerüljön.. Ezáltal a kormánykeréknek nem szükséges teljes körnek lennie, elegendő mindössze egy patkó alakú kormánykerék is. Hátránya, hogy a direkt kormányzás szokatlan irányítást eredményez. Másik fontos kritérium, hogy a kormánymű vesztesége kicsi legyen. A veszteségek csökkentésével jelentősen csökkenthető a kormányzáshoz szükséges erő A kritériumok összehasonlítása A kormányzással kapcsolatos kritériumok összehasonlítását a 3. táblázat tartalmazza. 3. táblázat A kormányműre vonatkozó kritériumok Egyszerűség Alacsony tömeg Egyszerű kivitelezés Könnyű Beállíthatóság szerelhetős Költség Áttétel Helyigény Alacsony súrlódás (+) Sorrend Pontszám Egyszerűség V. 5 Alacsony tömeg III. 7 Egyszerű kivitelezés III. 7 Könnyű szerelhetőség V. 5 Beállíthatóság ,5 I. 9 Költség ,5 IX. 1 Áttétel ,5 I. 9 Helyigény ,5 VIII. 2 Alacsony súrlódás V. 5 Látható, hogy a kormányművekre vonatkozó kritériumok között kisebb a fontosságbeli különbség, hiszen a sorrend felállításakor több kritérium is azonos pontszámot kapott A kormányművek értékelése A kormányművek megadott szempontok szerinti értékelését a 4. táblázat tartalmazza. 30

31 4. táblázat A kormányművek értékelése Alacsony Egyszerű Könnyű Beállíthatósászám Helyezés Összpont- Egyszerűség Költség Áttétel Helyigény Alacsony súrlódás Kormánymű tömeg kivitelezés szerelhetőség típusok/kritériumok Súlyozássazássazássazássazássazássazássazássazással Súlyo- Súlyo- Súlyo- Súlyo- Súlyo- Súlyo- Súlyo- Súlyo- Fogasléces VI. Csigás IV. Globolid csigás III. Golyósorsós V. Excenter karos II. Bowdenes I. A táblázatból kiderül, hogy a kormányzási feladatra az általunk felépített kritériumrendszer szerint legjobban a bowdenes kormánymű felel meg. Ennek kialakítása a 24. ábrán látható. 26. ábra: Bowdenes kormánymű A kiválasztott kormánymechanizmus elvi felépítése A kormánymű elvi felépítését szintén funkcióstruktúra segítségével mutatjuk be. A kormánymű felépítése tartalmaz olyan funkciókat, melyeket a felfüggesztés ismertetésénél nem mutattunk be. Ezek a 27. ábrán láthatóak. 31

32 (Bowdenház) a, Átalakítás b, Megvezetés 27. ábra: A kormányműnél felhasznált funkciók [1] A kormánymű funkcióstruktúráját a 25. ábra mutatja. 4 Váz 1 Kormánykerék 2 Kötélpálya Bowden φ 8 S 9 (Bowdenházban) 10 Kormánytrapéz 11 Kormányzás 28. ábra: A kormánymű elvi felépítése A kormánymű elvi felépítése egyszerűbb, mint a felfüggesztésé, ez kevesebb elemet tartalmaz. Elsőként a kormánykereket (1) összekapcsoljuk (3) a kötélpályával (2), Az így kialakított egységet a vázhoz (4) képest forgathatóvá kell tenni (5). A bowdent (6) a kötélpályához rögzítjük (7). A bowden a kötélpályával együtt forgó mozgást végez. Ezt a mozgást egyenes vonalú mozgássá kell átalakítani a 8-as funkció segítségével, majd a bowdent bowdenházon keresztül vezetjük át (9), ezzel a megfelelő helyzetbe juttatjuk azt. Az így elvezetett bowdent a kormánytrapézhoz (10) rögzítjük (11). Így a kormány már működőképes lesz, hiszen a kormánykerék forgatásával a kötélpálya is forgni fog, amely a bowdent húzni fogja. Mivel a bowden másik vége a kormánytrapéz megfelelő eleméhez van rögzítve, az egyenes vonalú mozgást fog végezni. A kormánytrapéz pedig a kerekeket a kormányzásnak megfelelő módon forgatja. 32

33 5.4 Az elkészült kormánymű A felfüggesztéshez hasonlóan magát a kormányművet is elkészítettük. Az elkészült kormánymű a 29. ábrán látható. 29. ábra: Az elkészült kormánymű A kormánykerék tengelyén látható egy műanyag csiga (kötélpálya), amelyben a bowden fut. A bowden vége a csigához van rögzítve. A bowdnet bowdenházon keresztül vezetjük el a kormánytrapézhoz, amely a kép bal felső sarkában látható. Itt csatlakozik a bowden a kormánymechanizmushoz. 6. ÖSSZEFOGLALÁS A dolgozat feladata egy alternatív hajtású jármű első futóművének és kormányművének koncepcionális tervezése. Bemutattuk tervezés folyamatát, annak fejlődést. Rész- 33

34 letesen kitértünk a koncepcionális tervezés felépítésére, és a megoldás menetére. Bemutattuk a tervezés folyamatát. A folyamatot az általunk tervezett jármű példáján keresztül is ismertettük. A dolgozatban külön kitértünk a problémamegoldás folyamtára is. Szakirodalmak segítségével bemutattuk a gépjárművekben fellelhető felfüggesztés, és kormánymű típusokat. A típusoknál kitértünk azok felépítésére, előnyeire és hátrányaira is. Ezen kívül bemutattunk egyedi kormánymű kialakítási elveket is. A dolgozat utolsó szakaszában ismertettük a felfüggesztés, majd a kormánymű megoldás keresésének eljárását. A megoldáskereséshez elsőként felállítottunk egy kritériumrendszert, majd meghatároztuk a kritériumok fontossági sorrendjét. Ezt az ún. rangmódszerrel végeztük el. Ezután az előző fejezetben bemutatott megoldási példák közül meghatároztuk azt a felfüggesztést, amely az adott kritériumrendszernek legjobban megfelel. Ugyan ezt az eljárást elvégeztük a kormányműre is, természetesen a kormányműre vonatkozó kritériumok alapján. Az így meghatározott megoldások elvi felépítését funkcióstruktúra alapján készítettük el. A dolgozat végén fényképes illusztrációval mutattuk be az elkészült felfüggesztést és kormányművet. Célunk a jövőben sűrített levegős hajtás, és az ehhez tartozó jármű fejlesztése, ezzel létrehozni egy olyan közlekedési eszközt, mely a környezetet közvetlenül nem károsítja. A jármű felépítésében további feladat a dolgozatban ismertetett egységek, vagyis a felfüggesztés és a kormánymű továbbfejlesztése, azok pontosabbá, jobban kezelhetővé, és könnyebbé tétele. 34

35 FELHASZNÁLT IRODALOM [1.] KAMONDI, L.:Objektumsemleges tervezésmódszertan. Előadásvázlat. 2008, Miskolc. ppt:1/485. [2.] KOLLER, R.: Konstruktionslehre für den Maschinenbau. Grundlagen zur Neu- und Weiterentwicklung technischer Produkte. 3. Auflage. Springer-Lehrbuch, p.:1/580 [3.] EHRLENSPIEL, K.: Integrierte Produktentwicklung 3. akt. Auflage. Hauser Verlag, 2007 [4.] ANTAL Gy.-NAGY L.: Gépjárműszerkezettan III. Budapest, Műszaki Könykiadó, old [5.] ANTAL Gy.-NAGY L.: Gépjárműszerkezettan IV. Budapest, Műszaki Könykiadó, old [6.] STAUDT, W.: Gépjárműtechnika. Székesfehérvár, OMÁR Könyvkiadó, old. [7.] BOHNER: Gépjárműszerkezetek, 4. kiadás. Budapest, Műszaki Könyvkiadó, old 35