MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI- ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPEK TANSZÉK 3515 Miskolc-Egyetemváros SZAKDOLGOZAT Feladat címe: Pneumatikus jármű automatikus sebességváltós hajtásrendszerének tervezése Készítette: KONDRÁT DÁNIEL BSc szintű, gépészmérnök szakos Szerszámgépészeti és Mechatronikai szakirányos hallgató Tervezésvezető: BIHARI JÁNOS Tanársegéd Miskolci Egyetem Gép-és Terméktervezési Tanszék Konzulens: DR. BARNA BALÁZS Tanszéki mérnök Miskolci Egyetem 2014. MÁJUS 5.
EREDETISÉG NYILATKOZAT Alulírott ; Neptun kód: a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy....című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül. Miskolc,... év hó nap. Hallgató 2
Köszönetnyilvánítás Ezúton is szeretném megköszönni segítőkész tanáraim, barátaim állandó tanácsait, építő jellegű kritikáit, érveit-ellenérveit, melyek nélkül valószínűleg nem készült volna el a szakdolgozatom. Szeretnék köszönetet mondani mindenekelőtt tervezésvezetőmnek, Bihari Jánosnak, akinek szakmai és emberi támogatását tanulmányaim kezdete óta élvezhetem. Továbbá köszönöm konzulensemnek, Dr. Barna Balázsnak aki pneumatika terén szerzett tapasztalatainak köszönhetően, észrevételeivel- tanácsaival nagyban hozzájárult a dolgozatom sikeres megírásához. Köszönöm a Gép- és Terméktervezési Intézetnek, hogy a szakdolgozatom témájának megvalósításához biztosított számomra helyet és eszközöket. Végül, de nem utolsó sorban szeretném megköszönni csapattársaimnak Szabó Gergőnek, Zám Csabának, Szőlősi Ákosnak, hogy a munkájukkal hozzájárultak csapatunk eddigi sikereihez és szakdolgozatom létrejöttéhez. 3
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... 3 SUMMARY... 7 BEVEZETÉS... 8 1. FELADAT MŰSZAKI LEÍRÁSA... 9 ÁLTALÁNOS FELTÉTELEK:... 9 1.1 A JÁRMŰ KIALAKÍTÁSA:... 9 1.2 MÉRETEK, TÖMEG:... 9 1.3 VÁZSZERKEZET, KAROSSZÉRIA:... 10 1.4 ÜZEMANYAGTARTÁLY:... 11 1.5 BIZTONSÁGI ELŐÍRÁSOK:... 11 2. HAJTÁSMÓD KIVÁLASZTÁSA:... 12 2.1 LEHETSÉGES MEGOLDÁSOK:... 16 2.1.1. Ábrák részletezése... 21 3. A HAJTÁSHOZ SZÜKSÉGES PNEUMATIKUS RENDSZER ELEMEINEK KIVÁLASZTÁSA:... 22 3.1 A MUNKAHENGER TÉRFOGATA... 1 3.2 A MUNKAHENGER ÁLTAL ELHASZNÁLT GÁZ TÖMEGE: 10 C-ON... 24 3.3 MAXIMÁLIS ERŐ MEGHATÁROZÁSA:... 27 3.3.1 Normál üzemmódban a maximális erő:... 27 3.3.2 Expanzió üzemmódban a maximálsi erő:... 28 4
3.4 A MOTOR PNEUMATIKUS RENDSZERÉNEK BEMUTATÁSA:... 31 3.4.1 Munkahenger működési módjai:... 32 3.4.1.1 Expanziós program... 32 3.4.1.2 Teljes sebességű program... 32 3.4.2 Puffertartályok:... 35 3.4.2.1 Kisméretű puffer:... 36 3.4.2.2 Nagyméretű puffer:... 36 4. HAJTÁSLÁNC... 40 4.1 A HAJTÓMŰ MŰKÖDÉSI ELVE:... 41 4.2 LENGŐKAR... 45 4.2.1 Lengőkar felépítése:... 45 4.2.2 Váltás megvalósítása:... 47 4.3 ÁTTÉTELSZÁMÍTÁS:... 48 4.3.1 Áttétel számítás a lengőkar és az előtét tengelyen lévő kisméretű lánckerekek között:... 48 4.3.2 Áttételszámítás az előtéttengelyen lévő kisméretű láncekerek és a szintén az előltéten lévő nagyméretű lánckerék között:... 48 4.3.3 Áttételszámítás az előtéttengely és a kerék lánckereke között:... 48 Ellenőrzés:... 51 4.4 A HAJTÁS ERŐJÁTÉKA... 52 4.4.1 A szabadonfutó csapágyak méretezése:... 52 5
4.4.2 A keréken ébredő nyomaték:... 54 5. EDDIGI TAPASZTALATOK:... 55 6. ÖSSZEFOGLALÁS... 57 7. TOVÁBBFEJLESZTÉSI LEHETŐSÉGEK... 58 8. IRODALOMJEGYZÉK... 59 9. ÁBRAJEGYZÉK... 60 6
Summary I have been planning a compressed air-powered vehicle s powertrain, in my dissertation. First of all I have explored the existing solutions, trying to apply them evolving my own. After choosing the drive layout among the possibilities I had to choose and size the necessary pneumatic items. According to the races I had to take into consideration more point of view to find the best option. After assembling these moduls I was working to place them in the framework. Thenceforward I had to integrate a gearbox into this system to reach a higher controllability. While planning this device I had to keep in mind that this option can not be similar like other competitor s car. To the driving characteristics, like the maximal speed, the longest distance, I had to optimal the transmission. So I was making thorough calculations to find the best solution. I was using my own experiences from former contest to produce a unique, irregular and a high quality result. 7
Bevezetés A Rexroth Pneumatika kft. immáron 7. éve biztosít lehetőséget arra, hogy a mérnökhallgatók megcsillogtassák tudásukat és kiélhessék kreatív vágyaikat egy verseny keretein belül, amelyet Pneumobil verseny néven ismerhetünk.idén is, a megszokott módon Egerben, az Érsekkertben kerül megrendezésre ez az esemény. Miről is szól a pneumobil verseny? Olyan járművek tervezéséről és kivitelezéséről, amelyek tisztán sűrített levegővel, mint üzemanyaggal működnek.idén 3. alkalommal neveztünk a Pneumobil versenyre csapatunkkal, amely a MEkk MestAIR névre hallgat, itt több versenyszámban is rajthoz állunk. Alapvetően 4 versenyszámban méretteti meg magát minden csapat, a gyorsulási, ügyességi, távolsági futamokban, ezeken felül még egyben, az pedig a konstrukciós verseny, amelyen a bírák a jármű felépítését, konstrukciós kialakítását vizsgálják, majd pontozzák. Az előző két versenyről különdíjjal távoztunk, elnyertük a legötletesebb Pneumobil címét, amely Eger város különdíja volt. Szeretnénk idén is legalább ezt elhozni és még futamgyőzelemre is hajtunk, de ehhez sokkal átfogóbban, körültekintőbben kell megterveznünk az idei járművünket. A nevezési határidő után a következő állomás a tervdokumentáció beadása, amely elkészítésére körülbelül 3 hónap áll rendelkezésre. A dokumentációban ki kell térnünk részletesen a jármű hajtásláncára, vázszerkezetére, futóművére- és fékrendszerére, külön a pneumatikus rendszer felépítésére és biztonsági elemek használatára és helyére. A cég szolgáltatja számunkra a pneumatikus elemeket, olyan mennyiségben és méretekben, ahogy azt mi egyún. elemigény alapján megadtuk számukra. A szakdolgozatomban a hajtáslánc felépítésével foglalkozom, lehetséges megoldásokkal, az általam kiválasztott megoldás megvalósításával, majd hajtás részegységeinek bemutatásával. A következőkben részletesen kitérek a pneumatikus elemek kiválasztására, ezek elhelyezkedésére és rendszerbe foglalására. Továbbá a hajtás elrendezését és a beépülő elemeket vizsgálom több szempont alapján is. A hajtásba integrálnom kell egy sebességváltót is, amelynek felépítésével és alkalmazásának előnyeivel és a hajtásban való elhelyezésére is kitérek. 8
1. Feladat műszaki leírása Általános feltételek: Az alábbi pontokban leírt szabályszerűségeket tekintem tervezési szempontoknak, melyeket a Rexroth Pneumatika kft. határozott meg. A feladat egy olyan pneumatikus jármű PNEUMOBIL - tervezése és elkészítése, amely a sűrített levegő energiáját alkalmazva, pneumatikus vezérlő és végrehajtó elemek felhasználásával hozza létre és viszi át a nyomatékot a hajtott kerekekre. A járműnek egy vezetővel a fedélzetén kell teljesítenie a versenyszámokat. 1.1 A jármű kialakítása: A járművet vezető személynek a járművön kell tartózkodnia A minimális kerékszám 3, amelynek minimum 2 nyomsávban kell elhelyezkedniük 1.2 Méretek, tömeg: A jármű megengedett hosszúsága max. 2.5 méter, szélessége max. 1.7 méter. A jármű stabilitása szempontjából fontos a minél alacsonyabb súlypont. Ezért a kialakítás során figyelembe kell venni, hogy a járművezető vállmagassága a vezetési pozícióban nem haladhatja meg a nyomtáv 75%-át, és semmilyen motoralkatrész vagy a palack legmagasabb pontja sem érhet e magasság fölé. Háromkerekű járműveknél a kerekek központja által bezárt háromszög legkisebb szöge nem lehet kevesebb, mint 30 (lásd 1. ábra). 1. ábra Kerekek által bezárt szög 9
A jármű szabad hasmagassága minimum 70 mm, amelynek a biztosítása egy 70 mm magas fekvőrendőrrel kerül ellenőrzésre. A jármű tömege nincs megkötve (célszerű a minimumra törekedni.) 1.3 Vázszerkezet, karosszéria: Quad jellegű (ráülős) kialakítás: A jármű vázszerkezetének fémből kell készülnie és úgy kell kialakítani, hogy hordozza a sűrített levegős palackot, a teljes hajtásláncot és a hajtott kereket (kerekeket). A háttámla nélküli vezető ülését a vázszerkezetre kell építeni. A vázszerkezet nem tartalmazhat olyan kiálló alkatrészeket, amelybe a vezető probléma esetén beleakadhat, vagy akadályozza őt a járműről való leszállásban (leesésben). Általános előírások a vázszerkezetre és karosszériára: A vázszerkezetnek biztosítania kell a palack és a reduktor mechanikai védelmét, vagyis azokat a vázszerkezeten belül kell elhelyezni. A palack nem helyezhető el függesztve a váz alatt, közvetlenül az útburkolat fölött. A járműre nem szükséges zárt karosszériát építeni, de a vezetőt a hajtómű mozgó alkatrészeitől egy védőfallal kell elválasztani. A jármű elején lehetőleg egy ütközési gyűrődő zónát kell kialakítani, amely ütközés esetén tompítja a becsapódás erejét. Anyagában nincs megkötve, de úgy kell elkészíteni, hogy az arról esetlegesen leváló darabok sérülést ne okozhassanak. Azoknál a járműveknél, ahol az első kerék középen helyezkedik el, a gyűrődési zóna nem szükséges. 10
1.4 Üzemanyagtartály: Az energiaforrás egy darab sűrített levegős palack (űrtartalom 10 liter, névleges nyomás 200 bar). A palack nyomáscsökkentővel van ellátva. A palackot a vázszerkezethez kell rögzíteni, és biztosítani kell kicsúszás ellen is. A reduktort úgy kell elhelyezni, hogy borulásnál, fizikai útakadálynál vagy egyéb sérülésveszély esetén védve legyen. A palack rögzítésére rugalmas elemek nem alkalmazthatók! 1.5 Biztonsági előírások: A járművet irányító versenyző részére biztonságos tartózkodási helyet kell kialakítani. Quad (ráülős) jellegű ülés esetén (háttámla nélküli) nem kell biztonsági öv, viszont térdvédő, könyökvédő és protektor vagy motoros védőruha használata kötelező. A védőruházatot a hosszú távú futam ideje alatt nem kötelező minden versenyzőnek viselnie. Quad (ráülős) jellegű kivitel esetén a gázt folyamatosan tartani kell. Elengedéskor magától álljon vissza alaphelyzetbe. Cél: a járművezető esetleges leesésekor a jármű ne menjen tovább. Az esetleges áramforrást (akkumulátor) biztonságosan kell rögzíteni, és a járművet áramtalanítókapcsolóval kell ellátni, amelyet a vész-stop kör működtetőjéhez hasonlóan kell elhelyezni. A biztonsági áramtalanító és légtelenítő (vész-stop) működtető elemeit piros keretes fehér háromszöggel kötelező jelölni. (kialakítását lásd a honlapon) Ezen előírások alapján kezdem el az általam megálmodott kialakítású jármű tervezését. 11
2. Hajtásmód kiválasztása: A hajtásmód kiválasztásához figyelembe kell vennünk a megvalósítani kívánt konstrukció jellegét, és a megvalósításhoz felhasználni kívánt szerkezeti elemeket. A hajtásmód kiválasztásához elsődleges szempontként, a komprimált levegő energiáját mechanikai formában leképező pneumatikus munkahengert vettem figyelembe. Hiszen a hajtást ezen alkatrész mozgásienergiájának átalakítása révén kívánom megvalósítani. A fentebbi szempontok figyelembe vételével alapvetően kétfajta hajtási mód közül választhatunk, melyek a következőek: Forgattyús hajtás: Forgattyús hajtóműnek nevezik az olyan mechanizmust, amely a folyamatos körmozgást folyamatos egyenesvonalú lengőmozgássá, illetve az egyenesvonalú lengőmozgást körmozgássá alakítja át. A forgattyús mechanizmust a műszaki gyakorlat igen sokrétű formában alkalmazza. Erőgépek és munkagépek esetén forgattyús hajtóműnek is nevezik, mivel a mechanizmusnak ezekben az esetekben nemcsak kinematikai szerepe van (tehát hogy egy adott mozgást a célnak megfelelő módon alakítson át), hanem energiaátadást is végez. A forgattyús mechanizmus négy tagból álló síkbeli karos kinematikai lánc, tagjai a következőek: 1. Forgattyú: Egy tengelyre szerelt vagy vele egy darabból készített kar. A kar és a tengely együttes neve forgattyús tengely. A kar végén a tengellyel párhuzamos tengely vonalú hengeres csap van, ehhez csatlakozik egy csuklón (csapágyon) keresztül a hajtórúd, melynek másik vége szintén csukló (csapágy). 2. Hajtórúd: egyenes mindkét végén csapágyazott furattal rendelkező rúd, egyik csapágya a forgattyú csapjához, a másik a keresztfej csapjához illeszkedik. 3. Keresztfej: egyenes vezetékben csúszó gépelem (kinematikai fogalommal csúszka), melynek csapjára a hajtórúd másik csapágya csatlakozik. A keresztfej egyenes vonalú lengőmozgást végez. A keresztfejhez csatlakoztatják a gép azon részeit, melyek munkagépeknél munkavégzésre, illetve erőgépeknél energiaforrásként szolgálnak. 12
A mai műszaki gyakorlatban, a legtöbb esetben a keresztfejet a gép egy másik alkatrészével egyesítik, így dugattyús motoroknál és szivattyúknál a dugattyú egyben a keresztfej szerepét is betölti. Régi gőzgépeknél és néhány más esetben a keresztfej és a dugattyú két külön darab volt. A keresztfej szerepe az egyenes bevezetés volt, az átmérőjéhez képest sokkal kisebb vastagságú dugattyú pedig a gép hengerének hasznos térfogatát csökkentette-növelte. 4. Talaj: Vagyis a szilárdnak tekintett alap vagy gépkeret, melyhez rögzített a forgattyús tengely csapágya, illetve a keresztfej és a dugattyú vezetéke. Néhány példa forgattyús hajtóműre: 3. ábra Boxer-motor 2. ábra Csillagmotor 5. ábra Excenter 4. ábra Napier Delta-motor 13
6. ábra Kettős működésű gőzgép felépítése Lineáris hajtás:lineáris hajtás esetén a dugattyú hajtókarja kizárólag lineáris mozgást végez, csak a dugattyú tengelyvonala mentén képes elmozdulásra. A szintén csak lineáris elmozdulásra képes, hajtókarral rendelkező forgattyús hajtóművek esetén a nyomaték átvitele a forgattyús tengelyre egy hajtórúd segítségével történik. Ennél a hajtási módnál azonban sem forgattyús tengely sem hajtórúd nem vesz részt a nyomaték átvitelben. Ez tulajdonképpen a lineáris hajtások által támasztott műszaki kihívások elméleti háttere. Abelsőégésű motorok esetében a dugattyú csak a robbanást követő löket során végez munkát, a dugattyú alaphelyzetbe történő visszatéréséhez szükséges energiát a vele, egyidejűleg de más ütemben üzemelő dugattyúk biztosítják. Mivel a forgattyús mechanizmusokat rendszerintbelsőégésű motorokban alkalmazzák és ebből következően az erőfolyam szinuszosan változik, ezért a dugattyú bizonyos helyzeteiben munkavégzés nem történik. Esetünkben a hajtás megvalósításához szükséges munkát szolgáltató elem, azonban egy pneumatikus munkahenger. 14
A pneumatikus munkahenger szerkezeti felépítéséből adódóan dugattyújának véghelyzetei között vándorolva, mindkét irányban képes a munkavégzésre, valamint a dugattyú hajtórúdja a dugattyú tengelyvonalához viszonyított szögalatti elfordulásra nem képes. Ezen szempontok figyelembe vételével a pneumatikus munkahenger által végzett munkát a leghatásosabb formában hasznosítani tudó hajtási forma a lineáris hajtás, így az általam tervezett konstrukció megvalósításához ezt választom ki.a fentebbi hajtási mód egy a szokványostól eltérő műszaki megoldás létrejöttét kívánta meg, ugyanis az erő- és nyomaték átvitele a dugattyú mindkét lökete során hasznosítható. Mivel a lineáris hajtásnál nincs hajtórúd sem keresztfej így a nyomaték átadását egy rugalmas közvetítő elemmel valósíthatjuk meg. Az így körvonalazott műszaki körülmények alapján egy olyan megoldásból merítettem ötletet, amelyet előttem még senki sem alkalmazott hasonló konstrukciós feltételek esetén,úgy érzem lehetőségem nyílott arra, hogy valami rendhagyót és igazán érdekeset alkossak valamint, hogya meglévő körülményekre vonatkozóan egyúj alkalmazási területet térképezzek fel. A húzóelemes hajtások áttételmódosításának lehetőségét vettem figyelembe, amire egy jó példa a Scwinn-Csepel által fejlesztett Stringbike. 7. ábra Stringbike hajtása 15
Lényege, hogy a bicikli hajtott kerekét két bovden mozgatja (a string angolul zsinórt jelent, innen a név), amelyeket két kis kábeldobra csavarnak fel. A pedálok egy fél kör alatt feltekerik majd kihúzzák a madzagokat, és mivel ez a mozgás a jobb és a bal oldalon egymást váltja, folyamatosan tudunk előre haladni. Ehhez persze a pedálok és a madzagok összekötését egy ellipszis alakú lengőkarral oldják meg, amelynek a formája meghatározza a bicikli karakterisztikáját. Ez szolgált a későbbi konstrukciós kialakításunk alapjául, szerettem volna ugyan ezt a váltakozó mozgást, amelyet a Stringbike esetén zsínórok végeznek a járművünknél is hasznosítani. Az első szempont a verseny meghirdetésénél kaptott kiindulási instrukció volt felkészítő tanárunktól, miszerint quad jellegű azaz ráülős járművet kell tervezni és kivitelezni. Ezen a jármű jellegét körvonalazó kritérium alapján kellett a hajtáshoz szükséges számú és méretű elemeket kiválasztani. A fentebbi kiindulási szempont alapján tehát a hajtásláncnak a jármű középvonálában kell elhelyezkednie, és el kell férnie a sofőr lábaiközött.a megvalósítani kívánt konstrukció esetén nem pedálokat hajtunk, hanem egy adott pneumatikus munkahenger lineáris mozgását kell forgómozgássá alakítani. Ezt a két véghelyzet közötti mindkét irányú nyomaték hasznosítást hogyan tudjuk biztosítani egyetlen munkahengerrel, illetve az áttétel változtatását hogyan tudjuk ebbe a rendszerbe integrálni, ahogyan a stringbike esetében is tették arra több megoldás is létezik, ezek közül választottam ki az adott feladatnak megfelelő,leghatékonyabb változatot. 2.1 Lehetséges megoldások: Első kiindulási szempontként tudtuk, hogy nagy átmérőjű munkahengerre van szükség, hogy miért esett a választásunk arra, azt a kövekező pontban részletezem. A második kritérium amit a tervezés és az ötletelés megkezdése előtt kaptunk az az volt, hogy nem használhatunk olyan módszereket vagy alkalmazási formát, amelyet már egy másik csapat használ, tehát egy teljesen új ötlettel kellett előállnunk. A következő szempontként a hajtásba integrálni kell a sebességváltót is.a csapatommal összeülve egy brainstorming alkalmával összegyűjtöttük az általunk jónak vélt megoldásokat. Ezen megoldások mindegyikében egy kart mozgatunk a munkahengerrel, majd a kar valamilyen elem segítségével egy tengelyt forgat meg. 16
A következő megoldásokban, közös az, hogy lánccal (kék vonal) teremtünk kapcsolatot a kar és az előtéttengely között. A kiindulási koncepciónk szerint, ahogyan a stringbike is működik, rugalmas elemeket (zsinórokat, hegymászókötelet) használtunk volna az előtéttengely mozgatásához. Az első járművünk építésénél kísérleti úton bizonyosodtunk meg arról, hogy ezen elemek nem felenek meg arra a célra amire mi alkalmaznánk őket. A tapasztalatainkat az 5. fejezetben részletezem. Ennek tudatában jutottam arra, hogy alkalmazzunk láncokat a mozgás átalakításához. 8. ábra Lehetséges megoldás 1.. 9. ábra Lehetséges megoldás 2. A 8.- illetve 9. ábrán látható megoldásokban az a közös hogy a lengőkar csapágyazása a kar alján található tehát azon pont körül tud elfordulni. 17
10. ábra Lehetséges megoldás 3. 11. ábra Lehetséges megoldás 4. A 10.- illetve 11. ábrán látható megoldásokban közös pont, hogy a lengőkar csapágyazása a kar felső pontján található tehát azon pont körül tud elfordulni. Ezen változatoknál a lánc az előtéttengelyen egy lánckerékre felvan tekerve, ez a lánckerék pedig egy agyon van rajta, amely agy tartalmaz egy szabadonfutót. Biztosítva ezzel az egyik irányba történő szabad elforgást, mivel itt a munkahenger csak egyik ütemében mégpedig a húzási ütemében végez munkát, a másik ütemben, tehát amikor kitol csak a láncot tekeri vissza a lánckerékre. Ahhoz, hogy a lánc a visszaforgásnál is feszes legyen egy rugó segítségével tekerjük vissza az agyon lévő lánckereket. A rugó egy húzórugó, amely egyik vége a vázhoz van kapcsolva a másik pedig az agyon kialakított járatban, és amikor a munkahenger húz akkor az agyra feltud tekeredni a rugó (lila vonal). Az itt 18
feltüntetett variációknak nagy hátránya, hogy nem használják ki a munkahenger mindkét irányban történő munkavégzését, illetve, hogy egy kellően erős rugó kell mindehez, viszont az nemcsak húzásra, hanem csavarásra-hajlításra is igénybe van véve, ezért hamar kifáradhat. Így egy másfajta módot kell találni a láncok feszesen tartására és a munkahenger mindkét ütemének előnyös kihasználására, erre a következő megoldások alkalmasak: 12. ábra Lehetséges megoldás 5. 13. ábra Lehetséges megoldás 6. A 12.- illetve 13. ábrán látható megoldásokban az a közös, hogy a lengőkar csapágyazása a kar alján található tehát azon pont körül tud elfordulni. 19
14. ábra Lehetséges megoldás 7. 15. ábra Lehetséges megoldás 8. A 14.- illetve 15. ábrán látható megoldásokban közös pont, hogy a lengőkar csapágyazása a kar felső pontján található tehát azon pont körül tud elfordulni. Az előbbi 4 variáció már kihasználja a ketütemű munkavégzést mégpedig úgy, hogy két láncág van a karhoz rögzítve és így az előtéttengelyen is 2 db lánckerék van amin futnak ezek a láncok. A kitolás ütem a problémásabb, mert itt a láncot akkor is húzni kell amikor a munkahenger kitol. Ezt egy láncfordító segítségével lehet megoldani. A láncok feszesen tartását 1-1 kisebb méretű pneumatikus munkahenger fogja biztosítani, amely rugóként is funkcionál. 20
16. ábra Lehetséges megoldás 9. 2.1.1. Ábrák részletezése 8.-9.-12.-13. ábra részletezése: a munkahenger csatlakozási pontja itt rögzített, az áttétel változtatását a láncnak a karon való csatlakozási pontjának mozgatásával érjük el. 10.-11.-14.-15. ábra részletezése: az áttétel változtatása a munkahenger csatlakozási pontjának a kar alsó- és felső véghelyzetéhez történő mozgatásásval valósul meg, míg a lánc egy adott ponton rögzítve van a a karon. 16. ábra: Ez a megoldás azt használja ki, hogy nem kell láncfordító a rendszerbe, hanem csak a kar két végéhez van a lánc kapcsolva. Itt a kar a felezőpontjánál lévő csapágyazáson tud elfordulni. Ennek a megoldásnak hátránya, hogy csak a munkahenger csatlakozási pontjának elmozdításával oldható meg a váltás és itt az alsó és felső véghelyzet közötti távolság jóval kisebb, mint az előző esetekben, tehát sokkal kisebb áttétel valósítható meg vele. A végső megoldás a 14. ábra szerinti variáció.a pneumatikus munkahenger a lengőkart mozgatja, amely a váz felső részén kialakított helyen beálló golyóscsapágyakkal fekszik fel. A láncok egy előtéttengelyeken elhelyezett két lánckerékről futnakle felváltva, ezzel biztosítva az előtéttengely, folyamatos forgómozgását. A mechanizmust, illetve a láncok feszítésével és visszatérítésével kapcsolatos megoldást a 4. fejezetben részletesen tárgyalom. 21
3. A hajtáshoz szükséges pneumatikus rendszer elemeinek kiválasztása: Első lépésként a munkahenger kiválasztására kerül sor. Itt a fő szempont a minél nagyobb erőelérése. Eddigi versenytapasztalatok alapján Ø80 mm és Ø100 mm-es átmérőjű munkahengerek közül választok, mert a kellő erőt ezen elemek tudják biztosítani. Mindkét méretű elemhez szükséges számításokat végzem el a következőkben majd ez alapján választom ki a megfelelő munkahengert.amunkahengertegyvillásfelerősítőtalponkeresztülrögzítjük a vázhozaföldtől320mm-re.amunkahenger a járműközépsősíkjábanfogelhelyezkedni. működésközbenalegalacsonyabb pontja250mm-relesz a földtől.amunkahenger pneumatikuscsatlakozóiajobb kerék felé fognaknézni, amerre a szelepek kimenetei is.amunkahengertmindiga reduktor áteresztőképességéhez mérten a maximálisnyomásúgázzaltöltjük,csakatöltésiidőtváltoztatjuk versenyszámoknakmegfelelően. 3.1 A munkahenger térfogata d V2; V4 D V1; V3 s 17. ábra Pneumatikus munkahenger felépítése 22
Ahol: 1. D: Dugattyú átmérője 2. d: Dugattyúrúd átmérője 3. s: Lökethossz 4. V1-V2: Ø80 mm es munkahenger térfogata húzás és tolás ütem esetén 5. V3-V4: Ø100 mm es munkahenger térfogata húzás és tolás ütem esetén Ø80 mm- es munkahenger térfogata: a. Kitolásnál: b. Behúzásnál: Ebben az ütemben kisebb mivel ezen az oldalon található a dugattyúrúd, melynek átmérője: d=25 mm Ø100 mm-es munkahenger térfogata: a. Kitolásnál: 23
b. Behúzásnál: ebben az ütemben kisebb mivel ezen az oldalon található a dugattyúrúd, melynek átmérője: d=25 mm 3.2 A munkahenger által elhasznált gáz tömege A versenyen kapott palackban nagy nyomás uralkodik (200 bar), viszont a palackon található nyomásszabályzó ezt 10 bar-ra korlátozza. Ebből a palackból pedig igyekszik a gáz minél gyorsabban távozni, ez függ a terhelés mértékétől is. A térfogatváltozás következtében lehül a nyomásszabályzón átáramló gáz. A távolsági futam szempontjából fontos ezen paraméter, mert minél alacsonyabb a gáz hőmérséklete, annál többet fogyaszt a jármű és ezzel értékes métereket veszíthetünk. Az ügyességi versenyben nem mérvadó ez a lehülés, mert nem nagy a távolság amit meg kell tenni, itt viszont a terhelés miatt, ami ilyenkor a maximumot jelenti, esetenként le is fagyhat a reduktor. Abból kifolyólag, hogy a távolsági versenyszámban nem kap nagy terhelést a rendszer, mert az összes kört tekintve egy 12 km/h-s átlagsebességet kell tartani, amelyet a végén összesítenek, nem számolok a lehülés mértékével. Ø80 mm- es munkahenger működése közben elhasznált gáz: a. Kitolásnál: 24
Ahol: 1. p: Nyomás 2. M: Levegő moláris tömege 3. R: Egyetemes gázállandó 4. T: Hőmérséklet 5. m: Elhasznált gáz tömege b. Behúzásnál: Egy oda-vissza ütem alatti levegőfogyasztás: A futamok során használt palackban lévő gáz mennyiége a fenti képlettel számolva: p= 200 bar T= 293 K Vp=10-2 m 3 mp=2,3 kg gázt tartalmaz a palack 25
10 bar nyomással feltöltve a hengert: Ami azt jelenti, hogy a veszteségeket leszámítva 85 kitolásra és behúzásra képes munkahenger 1 palack tartalmával. Ø100 mm- es munkahenger működése közben elhasznált gáz: a. Kitolásnál: b. Behúzásnál: Egy oda-vissza ütem alatti levegőfogyasztás: 10 bar nyomással feltöltve a hengert: Ami azt jelenti, hogy a veszteségeket leszámítva 45 kitolásra és behúzásra képes munkahenger 1 palack tartalmával. A fenti számítások alapján kedvezőbb a Ø80 mm-es munkahenger alkalmazása így ezt választom a további számításokhoz. 26
18. ábra Ø80 mm-es munkahenger elhelyezkedése 3.3 Maximális erő meghatározása: A maximális erőt a nyomásszabályzó által átengedett maximális 10 bar-os nyomásértéken kapjuk meg. 3.3.1 Normál üzemmódban a maximális erő: Kitolásnál: 27
Húzásnál: A bevezetésben említésre került, hogy több versenyszámban is indulunk, itt kell kitérnem arra, hogy a távolsági futamon egy ún. expanziót alkalmazunk, amely expanízió a gáznak vagy gőznek a nyomáscsökkenéssel együtt járó térfogatnövekedését jelenti. Ezt fogjuk kihasználni, mégpedig úgy, hogy a munkahengert ezen afutamon egy bizonyos mértékig töltjük fel és hagyjuk a gázt expandálni, amíg az eddig alkalmazott maximális nyomásérték lecsökken ~ 2,5 bar-os nyomásra, és a munkahenger el nem éri teljesen kitolt állapotát, vagy visszahúzott állapotát. Expandálva a munkahenger löketszáma: kexp=4*k=4*85= 340 A veszteséget leszámítva ezek alapján ebben az üzemmódban 332 kitolásra és behúzásra képes munkahenger 1 palack tartalmával. Elhasznált gázmennyiség expanzió alatt: mt,exp= m1/4=18/4= 4,5 g mh,exp=m2/4= 9/4= 2,25 g 3.3.2 Expanzió üzemmódban a maximálsi erő: A munkahengerben uralkodó nyomás és erőviszonyok az expandálást követően: Kitolásnál: 28
Húzásnál A munkahenger folyamatosan fog üzemelni, az jármű működése alatt. Azonban a munkahengerbe töltött levegő mennyisége tehát más lesz a versenyszámoknak megfelelően. A távolsági futamon a munkahengert körülbelül a negyedéig töltjük fel levegővel és hagyjuk expandálni ~2,5 bar-ig. Az ügyességi és a gyorsasági versenyen pedig azalkalmazható legnagyobb nyomással töltjük a munkahengert. A munkahenger kiválasztásában figyelembe vettünk egy kalkulátor programot, amely a következő eredményeket szolgáltatta: 29
19. ábra Munkahenger adatai tolásra 20. ábra Munkahenger adatai húzásra 30
3.4 A motor pneumatikus rendszerének bemutatása: A pneumatikus rendszer fejlesztése az elsődleges cél, ez egyben az elemek kiválasztását is jelenti, mert ezzel biztosíthatjuk a rendelkezésre álló erőforrások hatékonyabb kihasználását. A motor pneumatikus felépítését mutatja a 21. 22. ábra, amely részletezve: A pneumatikus hengert (1.1) két darab 5/3-as, elektromosan vezérelt szelep (2) működteti. A szelep vezérléséről a PLC (27) gondoskodik, a nyitás és zárás idejének meghatározását pedig a hengerre rögzített Reed-relék (14) biztosítják. A Reed-relék tehát jelen esetben helyzetkapcsolóként, vagy végálláskapcsolóként funkcionálnak. 27 2 14 1.1 21. ábra Pneumatika elhelyezkedése-felépítése a vázon belül 31
3.4.1 Munkahenger működési módjai: expanziós - a távolsági futamra expanzió nélküli - a gyorsulásra és az ügyességi versenyre. A markolat melletti mikrokapcsolókkal aktiválhatjuk az egyes programokat, attól függően melyiket akarjuk éppem használni. 3.4.1.1 Expanziós program A narancsszínű gomb megnyomásával indítjuk az expanziós működést. A végállásban lévő hengerbe nyomás kerül, viszont amint a dugattyú eléri a következő Reed-relét, az 5/3-as szelep zár, így az eddig a hengerbe került levegő túlnyomása fogja a dugattyút mozgásra késztetni, mialatt ez a túlnyomás a térfogatváltozás következtében lecsökken. Ez alatt a henger másik kamrájából a levegő a szabadba távozik. Ahogy a dugattyú elér a másik végállásba, a másik kamra kap túlnyomást, az előzőekben leírthoz hasonlóan, míg az első kamrában maradt levegő a szabadba távozik. 3.4.1.2Teljes sebességű program Ha a piros gombot nyomjuk meg, az egyik végállapottól a másik végállapotig fogja a szelep engedni a levegőt, nem lesz expanzió, viszont a dugattyú sebessége ezáltal megnő. Ez idő alatt a másik kamrában maradt levegő a szabadba távozik.a henger vezérlése mindkét irányban megegyezik. A szelepek vezérléséhez szükséges nyomást egy mellékág biztosítja, amelyben állandó 4 bar nyomás van, egy puffertartálynak, és egy nyomásszabályozónak köszönhetően. 32
22. ábra Pneumatikus kapcsolás rajza 33
Tételszám szám Db Megnevezés Kódszám 1 Kétoldali műk.henger PRA sorozat Ř80/320 3/8" M20x1,5 822124009 1 2 CD12 3/2külső vez.24vdc elektr.mük.1/2"monostabil DINA 5724560220 2 3 Vész-stop kör - 1 4 Hangtompító 1/2" 1827000003 2 5 NL1 nyomásszabályzó 1/4" 0,5-10bar manométerrel 0821302716 2 6 Visszacsapó szelep 1/4" 5340981100 1 7 NL4 pneumatikus vezérlésű nyomásszabályzó 1/2"0,5-10bar R412004952 1 8 Kétoldali műk.henger PRA sorozat Ø32/400 1/8" M10x1,25 0822120010 2 9 Elzáró szelep 3/2 (golyóscsap kézikarral) 3/8" 3520342100 2 26 Fojtó-hangtompító 1/8" 0821201102 2 44 Visszacsapó szelep 3/8" 5340981200 1 51 Puffertartály - 3 1. táblázat 22.ábra alapján az elemek tételjegyzéke 23. ábra Vész-stop kör 34
Tételszám Megnevezés Kódszám db 1 Egyenesmenetescsatlakozó Ø12 belső1/4" R412005091 1 2 Kereszt-elosztótömb 4x3/8" 1823390043 1 3 Egyenesmenetescsatlakozó Ø12 3/8" 2121012380 4 4 Könyökcsatlakozó Ø12 2121212000 4 5 Biztonságiszelep, nyitónyomás 10 bar, külső 3/8" R412007539 1 6 Egyenesmenetescsatlakozó Ø6 3/8" R412005000 1 7 Lemezcsatlakozóbelsőmenettel atm6 1/4" 2122606140 2 8 Manométer Ø50 1/4" 12bar R412004418 2 9 NL2 3/2 elzárószelep 3/8" 0821300903 1 10 NL2 felerősítőlemez 1821336013 1 11 Hangtompító 1/4" 1827000001 1 12 Hollanderesközcsavar 3/8"-3/8" 1823391256 1 13 Gyorslégtelenítőszelep 3/8" 5735040200 1 14 Hangtompító 3/8" 1827000002 1 15 T-csatlakozó 3xØ12 2121112000 1 16 Redukálóadapter Ø12/Ø6 2121712060 1 17 Műanyagtömlő PU 12x1,5 1820712034 5m 18 Műanyagtömlő PU 6x1,05 1820712032 5m 2. táblázat 23. ábrához tartozó tételjegyzék A pneumatikus egységek a pilóta felfekvő felülete alatt lesznek elhelyezve, így közel lesznek a palackhoz és a munkahengerhez egyaránt.kevesebb tömlőt kell felhasználni, mellyel csökkennek a pneumatikus veszteségek. 3.4.2Puffertartályok: Alapvető probléma a térfogatáram csökkenése és ezen probléma megoldására ún. puffertartályokat alkalmazunk. A pneumatikus gépek és berendezések megfelelő működéséhez szükséges a folyamatos légáram. Ezt megfelelő nagyságú és adott nyomás alatt álló légtartály tudja biztosítani, így kiegyenlítődika felhasználási pontok nyomásingadozása. A légtartály méretének megfelelő kiválasztása során fontos figyelembe vennünk a légfelhasználás mellett a munkahenger sebességét illetve a térfogatáramot. 35
Összesen kétfajta tarályt alkalmazunk a járművön, amelyek eltérő feladatkört látnak el: Kisméretű puffer:az elővezérelt szelep és a kis munkahengerek ellátásához Nagyméretű puffer:a munkahenger ellátásához 3.4.2.1 Kisméretű puffer: A pneumatikusan külsőleg elővezérelt, elektromos működtetésű szelep minimális nyomásszükséglete 3 bar. Ezért szükséges egy puffertartály alkalmazása a szelep ellátásához, melyet visszacsapó szeleppel választunk le a főágról, hogyha lecsökkent a nyomás a főágban 3 bar alá, akkor a szelepünk még akkor is megkapja a kellőnyomást a működéshez. Továbbá a levegő pazarlás elkerülése érdekében ebben a pufferben 4 bar levegőt tárolunk csak, amíg lehetséges, így takarékoskodva a levegővel. 3.4.2.2 Nagyméretű puffer: A munkahengerünk térfogatáram szükséglete magasabb, mint amit a reduktor biztosítani tud ezért szükségünk van egy pufferre, ami ellátja kellő levegővel a hengerünket, és a reduktor vissza tudja tölteni, amikor épp nem üzemel a hajtás. Ezt a puffert célszerűen a gyorsasági futamra méretezzük. A gyorsasági futamra a tavalyi eredmények alapján 7 s-t szánva gyorsításra, a reduktor áteresztőképessége: 800 Nl/min alapján számolva méretezzük a puffert. A munkahenger sebességére két értéket veszünk fel, így a két számítást 24. és 25. ábra mutatja 36
24. ábra 0,5 m/s hengersebesség esetén a térfogatáram 25. ábra 0,3 m/s hengersebesség esetén a térfogatáram Henger sebesség v= 0,3 0,5 m/s A reduktor térfogatárama: Qbe= 800 800 Nl/min A szükséges térfogatáram Qki= 905 1508 Nl/min A különbségük: Qk= 105 708 Nl/min Szükséges idő: t= 7 7 s Számított tartály térfogat: V= 10,5 82.6 l 3. táblázat Puffertartály méretezése a két értékre 37
A táblázat alapján, ha sikerül elérni a kívánt 0,5 m/s-os sebességet, akkor szükséges egy 82,6 literes, míg ha 0,3 m/s-ot érünk el elég egy 10,5 literes puffertartály. A puffer töltése a távolsági futamon az expanzió alatt, míg az ügyességi futamon a kanyarokban fog történni.anyagát tekintve törekedni fogunk a legkisebb súlyra, és arra, hogy megfeleljen a tartály a nyomástartó edényekkel szemben támasztott előírásoknak. A nagyméretű puffertartályok a jármű elején a futóműhöz csatlakozó vázrészben kerülnek elhelyezésre (26), míg a kisméretű pufferek közül a szelepek vezérlést ellátó tartály az ülés alatt míg a kisméretű munkahengerek ellátásához szükséges tartály(27) a jármű oldalán lesz elhelyezve. 26. ábra Nagyméretű puffertartályok elhelyezése a vázon 38
27. ábra Kisméretű puffertartályok elhelyezése a vázon 39
4. Hajtáslánc A járműben az erőátviteli elem szerepét egy kar fogja biztosítani.a kar a váz felső merevítésén van csapágyazva, 25mm beálló golyós csapágyakkal. A kar a függőleges helyzethez képest előre és hátra ±30 -ot tud mozdulni, kihasználva a munkahenger 320mm es löketét. Amikor a csúszótömb legközelebb van a csapágyazáshoz, tehát a felső véghelyzetben vannak akkor a legkisebb az áttétel, ha az alsó véghelyzetben áll, akkor a legnagyobb az áttétel (28). 28. ábra A lengőkar, mint erőátviteli elemelhelyezkedése a vázban 40
29. ábra A teljes hajtáslánc 4.1 A hajtómű működési elve: Alaphelyzetben a munkahenger behúzott állapotban van, ilyenkor a lengőkar a legtávolabb van az előtét tengelytől, amint elindul a másik véghelyzetébe a dugattyú, azaz kitol, ilyenkor a kar is vele mozdul el és ha a járművel szemben állunk a bal oldali ág fog a hajtásban aktívan részt venni míg a másik ág visszafut. A láncok egyik vége a lengőkarhoz a másik vége pedig a segédmunkahengerhez van erősítve. Mikor a kar visszafelé indul a kiindulási állapotba, azaz húz, akkor a jobb oldali ág hozza forgásba az előtéttengelyt, másik ág szintén visszafut. A lánckerék elfordulása annál nagyobb, minél távolabb van a karon mozgó csúszótömb a forgási középponttól. A tengely folyamatos forgását az biztosítja, hogy a két lánc ellentétes üzemben dolgozik, vagyis mikor az egyik lánc dolgozik, addig a másik visszafut. A láncok és munkahengerek helyzete a 30. és 31. ábrán jól megfigylehető. 41
30. ábra A hajtás kinematikai vázlata 1. 31. ábra A hajtás kinematikai vázlata 2. 42
A láncok biztos futásához és feszesen tartásához használjuk a segédmunkahengereket (34). Az elenütemben történő folyamatos forgómozgás biztosításához, a Stieber cég által gyártott szabadonfutókat használjuk, amely a 32. ábrán megfigyelhető. Ezek működési elve, hogy a külső és belső gyűrűk egymáshoz képest egyik irányban elfordulnak, míg a másik irányban nem, így nyomaték átvitelére nyílik lehetőség. A szabadonfutó külső gyűrűje a lánckerékagyban, amelyhez a lánckerekek is rögzítve vannak,míg a belső gyűrűje magához az előtéttengelyhez 32. ábra reteszkötéssel van csatlakoztatva (33). Stieber szabadonfutók 33. ábra Előtéttengely lánckerekekkel és szabadonfutókkal 43
34. ábra Láncfeszítő munkahengerek elhelyezkedése Az előtéttengelyt beálló golyóscsapágyak támasztják meg és biztosítják számára a biztos futást, az egység a váz külső oldalához van rögzítve, amely az alábbiábrán megtekinthető. 35. ábra Előtéttengely vázon elfoglalt helye 44
4.2 Lengőkar 4.2.1 Lengőkar felépítése: Fő részei: Lineáris vezeték és gördülő papucsok:a kar fő részét a két lineáris vezeték összefordítása képezi, melyen a gördülőpapucsok a mozgási tartományon belül könnyedén mozoghatnak.a gördülő elemek egy U alakú pánttal összevannak fogva, hogy egyszerre mozogjanak és ezen a pánton vannak elhelyezve, a vezetékre merőlegesen, a láncok csatlakozási pontjai. Keret: A két összefordított vezeték egy keretben foglal helyet. A keretnek a felső része ad helyet a fogaskerék-áttétel házának illetve a tengelynek, amely a két beálló csapágyon fekszik fel. A keret anyaga acél. Ennek az elemnek az oldalára vannak felerősítve a végálláskapcsolók, amelyek a gördülő papucsok elmozdulásának véghelyzeteit határozzák meg. Továbbá a 80mm es munkahenger csatlakozási pontja is itt taláható. Golyósorsó-anya:A golyósorsó egyik vége a kisebb méretű fogaskerékhez kapcsolódik a másik vége pedig befogatlanul van. Az anya egészen a golyósorsó szabad végéig tud lefutni. Az anya egy az U alakú pánton lévő talapzatban kialakított helyen fekszik fel. Fúró-csavarozó gép: A fogaskerék-áttételen keresztül hajtja meg az orsót, a gördülő elemek, ezáltal a láncok alsó- és felső végállapotba történő eljuttatásáért felelős.. A vezetékek és a hozzájuk tartozó gördülő elemek, illetve a golyósanya-orsó mindegyike szabványos alkatrész, amelyet a Rexroth Pneumatika kft. biztosított számunkra. Az előbb leírtakat jól szemlélteti a következő oldalon látható ábra (36). 45
Bosch PSR 18 Li-2 fúró- csavarozó gép Beálló golyóscsapágy Fogaskerék áttétel Vezeték Orsó Keret Gördülő papucsok és a lánc felfogatási helye Munkahenger csatlakozási pontja Golyós anya 36. ábra Lengőkar felépítése 46
4.2.2 Váltás megvalósítása: A gördülő elemek mozgatása egy golyósorsó-anya segítségével történik, melyet egy Bosch PSR 18 Li fúró- csavarozó szerszámgéppel mozgatunk. A fúrógép összeköttetésben áll a PLC-vel amelytől kapja a parancsot, hogy az alsó vagy a felső véghelyzet felé mozdítsa el a szánokat. A parancsot a PLC a sebesség függvényeként adja ki. A hátsó kerék felfüggesztésére szerelt Reed relé segítségével érzékeli az aktuális sebességet, majd az alapján adja ki a helyes parancsot, hogy mennyivel is halad éppen a jármű. Alap helyzetben felső állásban vannak a szánok, majd ha a jármű éléri a 8 km/h-s sebességhatárt a PLC küldi a jelet a fúrógépnek, amely elkezdi tekerni az orsót középállásig majd elérve a 20 km/h-t véghelyzetig fogja elmozdítani a papucsokat. Ez a folyamat visszafelé is ugyan így működik, a PLC érzékeli a relé segítségével a lassulást, ezért olyankor kiadja a parancsot, hogy vissza kell mennie a szánoknak közép, vagy alapállásba, a lassulás mértékétől függően. 37. ábra Bosch PSR 18 Li2 47
4.3 Áttételszámítás: lh=320 mm a henger csatlakozása a karhoz a forgástengelytől mérten. lk,min= 220 mm a papucsokhoz rögzített lánc minimális távolsága a forgástengelytől lk,max= 420 mm a papucsokhoz rögzített lánc maximális távolsága a forgástengelytől d1=81,18 mm a z20= 20 fogszámú szabadonfutózott lánckerekek osztóköre d2= 218,64 mm d3= 73,14 mm a z54= 54 fogszámú lánckerék osztóköre a z18= 18 fogszámú lánckerék osztóköre (keréken) 4.3.1 Áttétel számítás a lengőkar és az előtét tengelyen lévő kisméretű lánckerekek között: 4.3.2 Áttételszámítás az előtéttengelyen lévő kisméretű láncekerek és a szintén az előltéten lévő nagyméretű lánckerék között: 4.3.3 Áttételszámítás az előtéttengely és a kerék lánckereke között: 48
A munkahenger tervezett sebessége vh=0,4m/s, a honlapon található kalkulátor értékeit felhasználva. Ilyen munkahenger sebesség akkor adódik, ha a löketidő 0,5 s. Ennek függvényében elérhető maximális sebességet ki lehet számolni. A távolság meghatározásához felhasználom a 3.fejezetben kiszámolt egy palackkal elérhető löketek számát, melybe a veszteségeket nem számoltuk bele. kexp=332 oda-vissza löket/palack. lmax= alsó állásban a lánc hossza 420 mm A szabadonfutó lánckerék kerülete: A c/k hányados értéke megközelítőleg 1,725. Ezért egy ütem alatt az előtét tengely 1,725 fordul. A kar 420 mm es állásában az előtét tengelyt620 -ra fordítja el, vagyis egy oda vissza löket alatt az előtéttengely 1240 -ot fordul. Mivel a munkahenger 332 oda -vissza löketre képes, az előtét tengely a palack levegőjének felhasználásával megtett szögelfordulása: Az előtét tengely és a kerék közötti áttételnek megfelelően, a bicikli kerék 3-szor ennyit fordul. 49
A biciklikerék körülfordulásának száma: Ezt az értéket felszorozva a kerék kerületével, meg kapjuk mennyi utat tesz meg a kerék a palack levegőjével Ez az érték azonban nem pontos. Mivel a pneumatikus veszteségek, vezérlések miatt a munkahenger kevesebb löketre képes. Továbbá ez akkor érvényes ha a kerék csak akkor fordul el ha a hajtáslánc üzemel, tehát a szabd gurulást itt nem veszem figyelembe. A jármű tervezésénél fontos szempont, hogy a távolsági futamon a 20 km/h sebességgel üzemeljen, azért, hogy az átlagsebességünk 12 km/h felett legyen. A 20 km/h ellensúlyozza a sofőrcsere, kanyarodás, stb.során fellépő időveszteségeket. A távolsági futamon elérni kívánt távolság: s=10000 m, amely eléréséhez az szükséges, hogy az 1:4 arányú expanziót tovább csökkentjük.ennek következtében kisebb nyomásértéket kapunk, amely akkor adódik amikor a dugattyú eléri a véghelyzetét. Mivel az előtéttengely egy oda-vissza löket esetén 1240 -ot fordul ezért: 50
467 löketre van szükség legalább a 10000 m-es távolság eléréséhez. Az előző számításokból adódóan 83 löketre képes a munkahengerünk 10 bar-os nyomással, így az expanzió mértéke: A számítások alapján 1:6 expanziót kell alkalmaznunk: Ellenőrzés: Elhaszált gázmennyiség expanzió alatt: mt,exp= m1/6= 19/6= 3,17 g mh,exp= m2/6= 9/6= 1,5 g A gázmennyiség által kapott nyomásértékek húzásra és tolásra egyaránt: A munkahengerben uralkodó nyomás az expandálást követően ~1,7 bar, így elérhető a 10000 m-es távolság. 51
4.4 A hajtás erőjátéka A láncot terhelő erők minden pillanatban változnak. Ennek oka, a láncvezetésből adódó szögek folyamatos változása. A munkahengerről átadódó erő közel vízszintes komponensű, és maximális nagyságát 10 bar nyomáson éri el, mely kitolásnál ~ 5 kn, behúzásnál ~ 2,4 kn. A munkahenger akkor viszi át az általa kifejtett maximális erőt, minimális veszteség mellett, mikor a dugattyúrúd és a feszített lánc párhuzamos egymással. Ekkor a láncban fellépő húzó terhelés ~ 5kN vagy ~2,4 kn. A folyamat alatt a két erőt közel azonos nagyságúnak tekintem, mivel ezen számításoknál a mozgatatndó tömeggel, a súrlódással illetve a légellenállás leküzdéséhez szükséges erőkkel nem számoltam. Ezért a számításokat mind a két esetben 5 kn nal végezzük. A munkahenger 320 mm- re a forgástengelytől csatlakozik a karhoz, így az általa kifejtett nyomaték: Az erők szempontjából az is számit, hogy a mekkora karhossz viszi át a nyomatékot, az általuk meghatározott áttétel: 4.4.1 A szabadonfutó csapágyak méretezése: 220 mm-es kar esetén a szabadonfutó lánckerekén ébredő nyomaték: 52
420 mm-es kar esetén a szabadonfutó lánckerekén ébredő nyomaték: A kapott eredmények közel azonosak, ezek alapján az alábbi táblázatból kiválasztható a számunkra megfelelő elem. 4. táblázat Stieber szabadonfutó katalógus 53
Az eredmények alapján a feketével jelzett CSK40PP jelű szabadonfutót választom ki, melynek maximális nyomatéka M= 325 Nm, viszont az előtéten ébredő tényleges nyomaték az Mmax= 203,6 Nm így biztonsággal elbírja. 4.4.2 A keréken ébredő nyomaték: 220 mm- es kar esetén: 420 mm-es kar esetén: A keréken a két végállásban azonos nyomaték ébred, csak a kerék kerületi sebessége, lesz más az áttételezés miatt. A kereket gyorsító erő nagysága, 54
5. Eddigi tapasztalatok: Az elmúlt két versenyre való felkészülés alatt több problémába is ütköztünk a hajtáslánc tervezése és kivitelezése során. A kétoldali működtetéshez elengedhetetlen volt megoldani a láncfeszítés bonyodalmait. Ebből is amit már a lehetséges megoldások pontban említettem, annak az ágnak a feszítését és a lánc vezetését, amely a munkahenger kitol üteme alatt végez munkát. Kezdetben a feszítést rugalmas elemekkel rugóval és zsínórokkal, gumipókkal próbáltuk megoldani mégpedig úgy, ahogy azt a 2.1 pontban részleteztem, egy az agyon kialakított járatban vezettük el, az egyik vége az agyba még a másik a vázhoz volt rögzítve. Ezt csak a húzási ütemnél tudtuk alkalmazni, de akkor sem volt megfelelő a feszítési erő. A tolási ütemnél folyamatosan átugrott a lánc és minden esetben laza volt, bármelyik elem alkalmazásával próbálkoztunk. Kellett egy új megoldás, alkalmazzunk pneumatikus munkahengereket láncfeszítőnek. Ennek előnye, hogy állítható a nyomása, mi szabjuk meg mekkora erővel feszítse a láncokat. A két munkahenger rugóként is funkcionál, mivel ezek csak egyszeri alkalommal vannak feltöltve használat során, belőlük a levegő nem távozik. Össze vannak kötve, így amikor az egyik kitol a másik olyankor visszahúz így amelyik visszahúzott, abból a munkahengerből átáramlik a levegő a másik hengerbe, és fordítva, ezáltal segítve egymást. A láncfeszítés kérdésének megoldása után, a váltó következett. A kezdetekben, az első jármű építésénél nem működött a váltónk. Egy akkumulátoros csavarozót használtunk az orsó mozgatásához, viszont ez nagyon lassú volt és terhelt állapotban meg sem mozdította a szánokat. Erre is kellett egy megoldást találni, hogy egyik véghelyzetből a másikba gyorsan eljussanak a gördülő papucsok és menet közben, terhelés alatt könnyedén lehessen vele váltani. Ehhez a Bosch PSR Li-2 már elég erősnek bizonyult, egyik állásból a másikba gond nélkül eljutatta a szánokat, viszont még ez is viszonylag lassú. Az, hogy a papucsok milyen állásban legyenek a lengőkaron, azt a hátsó kerékre szerelt mágnes segítségével érzékeli a Reed relé, a két érzékelés között eltelt időből a PLC megállapítja a sebességet és (a váltás megvalósítása pontban részleteztem) adja a 55
jelet a fúrógépnek, hogy merre küldje a szánokat. Viszont, eddig még ismeretlen okok miat nem működött tökéletesen ezért jelenleg manuálisan, a kormányról egy kapcsolóval működtetehető a váltó, hogy melyik állásban legyen éppen. A következő lépcsőfok ennek a hibának a kijavítása, a váltó manuálisról használatáról automatikus üzemmódra való átállása. Ezeknél a járműveknél, ezt általánosságban elmondhatom, hogy a gyenge pontot a kerékpár alkatrészek jelentik, ilyen például a kerék, lánckerék, racsni- szabadonfutó, fékek. A kerékpár láncokkal az a gond, hogy nincs hozzájuk megadva semmilyen adat az osztástávolságon és a szélességen kívül, így csak találgatni lehet, hogy mennyit fog kibírni az az adott lánc, viszont az eddigi tapasztalataimból kiindulva, az erősebb single speed láncok, amelyeket BMX-hez használnak megfelenek erre a célra is. A racsnik- szabadonfutók a láncok mellett jelentik a legnagyobb hibaforrást. Legutóbbi tesztelés során kipróbáltunk egy jó minőségű az átlagtól 3-szor drágább racsnit, ami erősebb is mint a hagyományos szabadonfutók. A használat során viszont ennek az alkatrésznek holtjátéka van és a munkahenger ezáltal rángatja az egész járművet amíg újra nem fog a racsni. A tapasztalatokból adódóan a hagyományos, olcsóbb szabadonfutók még jobban megfelelnek ennek az alkalmazási területnek, mint a drágább fajták. Mivel hagyományos bicikli kereket használnak a csapatok, igaz erősített fajtákat, szintén BMX ha 20 -os kerékről van szó, de ha nagyobb átmérőjű 24-26 vagy akár 28 akkor Down Hill biciklik felnijeit alkalmazzák előszeretettel. Ezek jóval drágábbak az egyszerű bicikli kerekekhez képest, de alkalmazásuk szinte kötelező, mivel ezeknek sokkal nagyobb a teherbírásuk, elég nagy súlyt kell elbírniuk és más erők hatnak rájuk, mint ha egy kerékpáron ülve tekerünk. A küllőzött kerekeket a kanyarok viselik meg a leginkább, mert axiális erőt nem képesek csak kis mértékben elviselni, ezért folyamatosan figyelni kell a kerekek állapotát a verseny alatt, akár a küllőkön húzni ha szükséges. Általában az ilyen jellegű járműveknél is már tárcsaféket alkalmaznak, mert ennek sokkal jobb a hatásfoka és a szerelhetősége, a futóműhöz való illesztése egyszerűbb, mint a hagyományos V - fékeké és ezekből egy közepes minőségűvel is a kívánt hatást érhetjük el, ha jól van beállítva. 56
6. Összefoglalás Szakdolgozatomban egy sűrített levegővel hajtott jármű hajtásláncának tervezésével foglalkoztam, elsőként összesítettem a már létező hajtáskialakításokat majd ezek segítségével kialakítva a saját változatomat.a kapott szempontokból és kritériumokból elindulva választottam ki az általam legjobbnak ítélt megoldást. Miután a hajtás elrendezését több változat közül kiválasztottam, következhetett ennek a megvalósításához, működéséhez szükséges pneumatikus elemek kiválasztása és méretetzése. Versenyszámoktól függően több szempontot is figyelembe kellett vennem ezek kiválasztásakor. A pneumatika összeállítása után a hajtás tényleges felépítését, kialakítását, a vázban történő elhelyezését vettem előtérbe. Amikor ezek megvoltak, ebbe a rendszerbe integrálnom kellett egy váltószerkezetet, a még nagyobb szabályozhatóság érdekében. Szem előtt tartva azt a feltételt, hogy a versenyen résztvevő járművek közül egyikhez sem hasonlíthat, nem lehet egyezés. A menettulajdonságokhoz, a maximális sebességhez, az elérni kívánt leghosszabb távolsághoz kapcsolódóan így az optimális áttétel eléréséhez végeztem számításokat. Az eddigi versenyeken szerzett tapasztalataimat is hozzáadtam a tervezés folyamán, hogy egy egyedi, rendhagyó és színvonalas megoldás születhessen. 57