UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Valentin NOVAK KRIŽANEC RAČUNALNIŠKO PODPRTO KONSTRUIRANJE PNEVMATSKEGA PRESTAVNEGA MEHANIZMA ZA DIRKALNIK GPE15 Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, september 2015
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Valentin NOVAK KRIŽANEC
RAČUNALNIŠKO PODPRTO KONSTRUIRANJE
PNEVMATSKEGA PRESTAVNEGA
MEHANIZMA ZA DIRKALNIK GPE15
Diplomsko delo
univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, september 2015
RAČUNALNIŠKO PODPRTO KONSTRUIRANJE
PNEVMATSKEGA PRESTAVNEGA
MEHANIZMA ZA DIRKALNIK GPE15
Diplomsko delo
Študent: Valentin NOVAK KRIŽANEC
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: Konstrukterstvo
Mentor: izr. prof. dr. Miran ULBIN
Somentor: doc. dr. Aleš BELŠAK
Maribor, september 2015
~ II ~
Vložen original sklepa o potrjeni temi
diplomskega dela
~ III ~
I Z J A V A
Podpisani Valentin NOVAK KRIŽANEC izjavljam, da:
je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.
dr. Mirana Ulbina in somentorstvom doc. dr. Aleša Belšaka ;
predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA .................................................................................................. 1
1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ..................................................................................................................... 1
1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ....................................................................................................................... 1
2 PREGLED ZAČETNEGA STANJA ................................................................................................................ 2
3 PRERAČUN IN IZBOR KOMPONENT ......................................................................................................... 5
3.1 VHODNI PODATKI ........................................................................................................................................... 5
7 REZULTATI .............................................................................................................................................28
9 VIRI ........................................................................................................................................................30
~ IX ~
UPORABLJENE KRATICE
CAD - Computer Aided Design
ECU - Engine Control Unit
3D - three dimensional
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
-1-
1 UVOD
1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela
Prestavni mehanizem, predstavljen v tej diplomski nalogi, je bil skonstruiran za študentski
dirkalnik mariborske ekipe. Cilj izdelave tega dirkalnika je pridobivanje dodatnega
praktičnega in teoretičnega znanja članov ekipe ter tudi krepitev kompetenc ekipnega dela. S
tem dirkalnikom se ekipa pomeri z ostalimi tujimi ekipami na zato namenjenih inženirskih
tekmovanjih.
Zaradi motorja motocikla za voznikom je potrebno skonstruirati sistem za upravljanje z
menjalnikom iz vozniške kabine. Najbolj ustreza sistem, ki ga voznik upravlja z obvolanskimi
lopaticami. Voznik se zaradi tega lahko bolj posveti sami vožnji in lahko konstantno z obema
rokama nadzoruje volan.
1.2 Opredelitev diplomskega dela
Diplomsko delo je nadaljevanje diplomskega dela Aleksandra Klemenčiča: Sekvenčni
menjalnik dirkalnika formula student. Uporabljen je bil precej drugačen pristop, saj se je za
pogon mehanizma namesto elektromotorja uporabil pnevmatski cilinder. Cilj diplomskega
dela je skonstruirati in izdelati delujoč pnevmatski prestavni mehanizem, ki bo odpravil
pomanjkljivosti sistemov iz preteklih sezon.
1.3 Struktura diplomskega dela
V prvem delu diplomskega dela je predstavljeno začetno stanje oziroma pregled sistemov iz
prejšnjih let projekta formula student. Drugi del vsebuje preračune pnevmatskih komponent in
izbiro le-teh. Tretji del opisuje 3D modeliranje in virtualno upodobitev celotnega sestava. V
zadnjem delu diplomskega dela je predstavljen končni izdelek, podani pa so tudi rezultati
testiranja končnega izdelka.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
-2-
2 PREGLED ZAČETNEGA STANJA
Pri ostalih ekipah je možno zaslediti pnevmatske izvedbe, izvedbe z elektromagnetnim
solenoidom ter popolnoma mehanske sisteme [4].
V mariborski ekipi se je že več let uporabljal elektromehanski sistem, ki je temeljil na
osnovi 12V enosmernega elektromotorja iz baterijskega vrtalnika. Ta pristop je bil uporabljen
zaradi nizke cene elektromotorja in ker je akumulator potreben tudi za druge sisteme v
dirkalniku. Iz tega razloga, se je ekipa v preteklosti izognila pnevmatskemu sistemu, ki
potrebuje rezervoar s stisnjenim plinom oziroma kompresor ter pripadajoči majhen rezervoar.
Višja masa je pri pnevmatskem mehanizmu v tem primeru praktično neizogibna [4].
V dirkalniku GPE13 se je uporabljal prestavni mehanizem z elektromotorjem in
pripadajočim planetnim gonilom iz baterijskega vrtalnika. Gonilo vrtalnika ni predvideno za
takšne dinamične obremenitve, zato je posledično prihajalo do pogostih okvar le-tega [4].
Slika 1: Prestavni mehanizem dirkalnika GPE13 [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
-3-
Slika 2: Eksplodiran pogled prestavnega mehanizma za dirkalnik GPE13 [6]
Za dirkalnik GPE14 se je razvil izboljšan sistem, ki je za pretvorbo momenta elektromotorja v
linearno gibanje uporabljal vijačnico in drsnik [4]. Pomanjkljivosti tega sistema so bile:
premajhna izhodna sila, nekonsistentno delovanje ter občasne težave z vračanjem v srednjo
lego.
Slika 3: Prestavni mehanizem dirkalnika GPE14 [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
-4-
Slika 4: Eksplodiran pogled prestavnega mehanizma za dirkalnik GPE14 [4]
Skupna lastnost obeh opisanih sistemov je velika obremenitev akumulatorja zaradi delovanja
elektromotorja pri praktično konstantnem kratkostičnem toku. To povzroča tudi močno
segrevanje elektromotorja in mu s tem drastično zmanjša življenjsko dobo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
-5-
3 PRERAČUN IN IZBOR KOMPONENT
3.1 Vhodni podatki
Prestavni mehanizem mora ustrezati zahtevam, ki so nastale na podlagi pomanjkljivosti
prejšnjih sistemov ter beleženja podatkov ECU-ja. Iz teh podatkov je jasno razvidno, koliko
prestavljanj se je izvedlo na preteklih tekmovanjih ter testiranjih. Na tekmovanju mora
dirkalnik na vzdržljivostni dirki prevoziti 22 kilometrov brez prekinitve [2]. Z upoštevanjem
varnosti 100 prestavljanj mora sistem zagotoviti na tej razdalji najmanj 1000 uspešnih
prestavljanj. Točno število je težko določiti zaradi različnih voznikov ter različnih prog.
Ostale zahteve so:
- Potrebna sila na prestavni ročici(r = 80mm): cca. 300N
- Približen zasuk ročice: 14° gor in −14° za prestavljanje dol
- Pomik prestavne ročice pri r = 80mm: +/− 25mm
3.2 Izbira ustreznega dvosmernega cilindra
Za izbiro ustreznega dvosmernega cilindra sta potrebna dva podatka. To sta premer bata in
hod le-tega. Hod 50 mm je določen že s samimi zahtevami. Za dosego krajšega hoda bi se
lahko skrajšala prestavna ročica, vendar bi bila kasneje zaradi prostorskih omejitev in
geometrije bloka motorja otežena implementacija cilindra v celoten sistem. Za zagotavljanje
primerne sile je pomemben premer bata in hkrati tudi delovni tlak, pri katerem bo celoten
sistem deloval. Omeniti je potrebno tudi to, da zaradi batnice cilinder v povratnem gibu
proizvede manjšo silo kot pri delovnem gibu.
Po primerjavi različnih modelov cilindrov se je ugotovilo, da je za to aplikacijo
najprimernejši model cilindra DSNUP proizvajalca FESTO. Ta serija cilindrov ima cev iz
aluminija in zaključke iz polimera, kar je zaradi manjše mase idealno za to aplikacijo. Ti
cilindri so na voljo samo v treh različnih premerih, zato je bil izbran najprimernejši od teh.
Maksimalni dopustni tlak za te cilindre je 8 barov [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo