Primjer projektovanja

Student: Salkanović Dino

UVOD U INŽENJERSKI DIZAJNUVOD U INŽENJERSKI DIZAJNJanuar 2010Januar 2010

Primjer projektovanjaPrimjer projektovanja

V.prof.dr. Aleksandar KaračUniverzitet u Zenici

Mašinski fakultet u Zenici

2

Primjer projektovanja


U konceptnoj fazi postoje principijelna rješenja (koncepti) nakon nekog radnog vremena, koji se uglavnom orjentiraju na funkcionalnu strukturu i aktivnu strukturu.

U fazi projektovanja moraju se odrediti konstruktivni zahtjevi za pojedine modele i komponente. Za to je u VDI 2223 predložen odgovarajući i u praksi provjeren pristup. Razlike u redosljedu i u primjeni pojedinih metoda za različite zadatke i probleme u fazi projektovanja su veće nego u konceptnoj fazi. Kada dizajnirate kao dalje ostvarenje temeljnih rješenja potrebna je fleksibilnost u pristupu, opsežno znanje u odgovarajučim poljima, ali i dovoljno iskustva.

Slijedi primjer u kojem su bitni koraci za osnovno rješenje i trebali bi služiti kao glavni koraci u projektovanju.

U ovom zadatku se radi o konkretnom temeljnom rješenju za mašinu, sa osovinskim spojem koji može izdržati udarni obrtni moment.

3Student: Salkanović Dino


1. i 2.Glavni korak: Prepoznati zahtjeve, rješavanje prostornih uvjeta

Iz liste zahtjeva sljedeći uvjeti su izabrani:

-određivanje naredbi:spoj će biti u prostorijiopterećenje vratila u mirnom stanju je samo u jednom smjeruvarijabla rasterećenja momentanema sopstveni temelj

-određivanje mjera:osovinapodesiv obrtni moment pri 5 razina(vrijeme zaustavljanja najmanje 3s)podesiv obrtni moment pri 5 razinapotrošnja

-određivanje materijala:Materijal za osovinu Ck 45

-ostali zahtjevi:proizvodnja u vlastitoj radionicidijelovi koji se mogu kupiti i standardne dijelove koristitilahka demontaža

mm100≤NmT 15000≤

sNmdTdT /1250/ =kW5≤

4



3.Glavni korak: Struktura zahtjeva nosilaca funkcija

U tabeli 1. su dati nosioci funkcija sa svojim karakteristićnim osobinama.Od njih najznačajniji su:

-Glavčina-Prijenosna poluga između krivuljnog cilindra i glavčine i osovine-Krivuljni cilindar

Drugi glavni nositelji su:

-Elektromotor-Zamajac-Kvačilo-Prenosnik-Okvir testne mašine

5


Tabela 1.

-OkvirPreuzimanje snage i obrtnog momenta

Obrtni moment Promjena obrtnog momenta

GlavčinaOpterećenje glavčine

Dužina Čvrstoća

RučicaEnergiju pretvoriti u obrtni moment

Snaga Broj obrtaja Prečnik Ugao Visinska razlika

Krivuljni cilindarUpravljanje veličinom i vremenom

Snaga Max.izlazni obrtni moment pri izlaznom broju obrtaja Prenosni odnos

PrenosnikEnergetske komponente povećati

Prenosni moment Max.broj obrtaja Vrijeme promjene

KvačiloOsloboditi energiju

Moment inercije Broj obrtaja Prenosni moment

ZamajacAkumulacija energije

Snaga Broj obrtanja

ElektromotorPromjena energije, električnekomponente povećati

OsobineNosioci funkcijaFunkcija

MP

Mn

SJ

Sn

KUT

KUT

KUn

KUt

GP

GT

Gn

Gi

KP

nKD

Kα

Kh

Hl

Hc

T

dtdT /



4.Glavni korak: Grubo oblikovanje glavnih nosilaca funkcija

Na slici 1. su prikazani prvi grubi izgledi za tri glavna nositelja funkcija.Prilikom dizaja glavčine prema DIN 6885, prijenosa poluga zbog proračuna je napravljena kao spiralna opruga. Dizajn krivuljnog cilindra zahtjeva detaljnu analizu kinematskih i dinamičkih uvjeta. Za sliku 2.važi:

Obrtni moment na glavčini: HKH lhcT ⋅⋅=

Porast obrtnog momenta: HHKK lcn

dTdT

⋅⋅⋅⋅= απ tan

Slika 1.1-glavčina2-prijenosna poluga3-krivuljni cilindar



Slika 2. Geometrijski uvjeti krivuljnog cilindra uključujućipolugu krutosti Hc

Slika 3. Krivuljna staza

Vrijeme zaustavljanja:KKK

KH nnD

Ut⋅

=⋅⋅⋅

=2

12 π



Pošto je trenje uzrokovano kotrljanjem valjka, stvarni porast obrtnog momenta je manji od računskog i takođe nije konstantan.Da bi porast obrtnog momenta dT/dt prema zahtjevima značio srednji porast obrtnog momenta za proračun dT/dt nemože se više uzimati obodna brzina većxv ∗

xv

Važi:

xx vKv ⋅=∗

Korekcioni faktor zavisi od:-upadnog ugla-prečnika valjka-visinske razlike

Kαd

Kh

K

Sa slike 5. vidi se da je:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⋅=

=

K

KK

K

dx

hx

ααα

α

tan1sin

2

tan/

slijedi

xxx

vvK

x

x

Δ+==

∗



Ova formula važi samo dok je:

KK hd≤−⋅ )cos1(

2α

Slika 4. Porast obrtnog momenta Slika 5. Odstupanje korekcionog faktora K

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⋅+

=

K

KK

K

K

K

K

dh

h

K

ααα

α

α

tancos1sin

2tan

tan



Da di se dobile brojčane vrijednosti za uzimaju se sljedeće brojčane predpostavke:K

-upadni ugao

-prečnik valjka

-visinska razlika ili

ooK 45...10=α

mmd 60=

mmhK 30=

Prema gore navedenim vrijednostima, vrijednost dat je u tabeli 2.K

45 40 30 20 10

7.5 K 0.41 0.45 0.62 0.79 0.94

30 K 0.71 0.76 0.87 0.94 0.98

Tabela 2. Vrijednosti za korekcioni faktor K

[ ]mmhK [ ]oα

mmhK 5.7=



Jednačina za porast obrtnog momenta je pri prilagođavanju broja obrtaja i uzimajuči u obzirjednaka

dtdT / Kn K

HHKKK lcDK

dtdT

n⋅⋅⋅⋅⋅

=απ tan

Opseg regulacije broja obrtaja je uvjetovan sljedećim postavkama:

Ako se pogleda prečnik krivolinijskog cilindra , čvrstoća i dužina ručice na osnovu konceptnih rješenjakao konstantnim, onda se prema ostalim parametrima pri ekstremnim slučajevima za broj obrtaja

krivolinijskog cilindra može koristiti sljedeća jednačina, Tabela 3.:

R

KD Hc Hl

KKdtdT α,,

min

max

K

K

nnR =

Pri tome je konstanta koja uzima u obzir ostale konstantne vrijednosti .C ),,,( HHK lcDπ



Tabela 3. Određivanje iminKn maxKn

Min. 20 10 0.98 116C

Max. 125 45 0.41 305C

dtdT / Kα K Kn

Opseg regulacije broja obrtaja je:

6.2116305

==CCR

To znači da:

-funkcija-upravljanja veličine i vremena ne može sam ispuniti krivolinijski cilindar-da bi se zadržao principijelni koncept funkcionalna struktura se mora promijeniti-krivolinijski cilindar mora dobiti opseg regulacije broja obrtaja od R=2.6



Na slici 6. su prikazane funkcionalne strukture varijanata od strane podfunkcija “Promjena broja obrtaja”koje mogu realizirati upravljanje broja obrtaja pogonskog motora. I ovdje je dato više varijanti (4/1 do 4/3).Kvantitativnog tumačenja za krivuljni cilindar na osnovu datih veza, dobivene su sljedeće vrijednosti:

-čvrstoća ručice

-dužina ručice

-promjer cilindra

-upadni ugao

-konstanta C prema tabeli 3.

-opseg broja obrtaja za potrebni opseg porasta obrtnog momenta

-

mmNcH /700=

mmlH 850=

mmDK 300=

ooK 10...45=α

1min107.0 −=

( )dT sNmdtdTsNmdt /20000/;/125000/ minmax ==

1min6.32...4.12 −=Kn pri 6.2=R

Zahtjevi za podešavanje porasta obrtnog momenta su ispunjeni sa odabranim veličinama. dtdT /



Slika 6. Funkcionalna struktura varijanata za funkcionalnu strukturu 4



Drugačije je sa zahtjevanim za vreme zaustavljanja za maksimalni momenta. Koje se izračunava

kao ,što je ispod zadate vrijednosti od 3s. Nakon razgovora sa poslodavcem zahtjev je povučen

na koja se može realizirati sa iskorištenjem nešto više od polovine opsega krivuljnog cilindra.

snt KH 92.0...4.22/1 ==

stH 1≥

Zastupljenost glavnih nosilaca funkcija zahtjeva još pojašnjenja u sljedećim tačkama:

-kakva je prostorna rasporeda glavčine i krivuljnog cilindra?-koliko je potrebno razmatrati sporedne nosioce funkcija?

Iz predhodnih razloga zaključeno je, da će glavčina biti u horizontalnom položaju i da shodno tome krivuljni cilindar može rotirati oko vertikalne ose:

-dobra izmjenljivost glavčine i krivuljnog cilindra » dobar montažni dizajn-lahak pristup glavčini za mjerenje » dobro pristupni dizajn-bez problema prijenos sila koje djeluju na glavčinu u temelj » kratki i direktni prijenos sila

Potrebe sporednih nosilaca funkcija se određuje na osnovu prostornih zahtjeva i iz iskustva . Tako se dobije npr. Da

-zbog prisustva aksijalnih i obodnih sila na krivuljnom cilindru je potreban dobar položaj-vanjski prečnik spojke između glavčine i ručice mora iznositi

Pokazuje se da sporedni nosioci funkcija neznatno utiču na projektovanje.

kNl

TFFH

UA 6.17max ===mmDa 400=

16



Na slici 7a. je prikazano grubo dizajniranje na osnovu funkcionalnih struktura varijante 4/1, kod koje je upravljanje broja obrtaja preko promjenljivog prenosnika. Slika 7b. Prikazuje grubo dizajniranje na osnovu funfcionalnih struktura varijante 4/2, kod koje je promjenljivi prenosnik ispred kvačila. Varijanta 4/3 (slika 7c.) koristi promjenljivi prenosni motor.

Slika 7.a) Varijanta 4/1b) Varijanta 4/2c) Varijanta 4/3

1 Motor, 2 Zamajac, 3 Promjenljivi prenosnik, 4 Kvačilo, 5 Pužni prenosnik, 6 Krivuljni cilindar, 7 Prenosna ručica, 8 Glavčina, 9 Promjenljivi prenosni motor

17



5. Glavni korak: Odabir odgovarajućeg dizajna

Od projektovanih varijanti izabrana je varijanta 4/3 za dalju konkretizaciju jer ona koristi promjenljivi prenosni motor koji zauzima manje prostora

6. Glavni korak: Grubo dizajniranje ostalih glavnih nosilaca funkcija

Grubo dizajniranje ostalih glavnih nosilaca funkcija slijedi na osnovu sljedećih zahtjeva, koji su prikazani u 4 randnom koraku

-broj obrtaja pri pokretanju krivuljnog cilindra

-opseg broja obrtaja

-pokretni obrtni moment zbog i slijedi

-pokretna snaga krivuljnog cilindra zbog slijedi

1min6.32...4.12 −=Kn

6.2=R)2/( KUK DFT =

HU l

TF =NmTK 2650=

KKK TP ω=kWPK 9=

Zbog sigurnosnosti usvaja se maksimalan broj obrtaja zamajca a takođe i broj obrtaja motora Sn Mn

1min1000 −=Sn

18



Potreban prenosni odnos sada iznosi:

7,30...7,80=i

Za ostale glavne nosioce funkcija mogu se odrediti karakteristične osobine:

-Prenosni obrtni moment kvačila, iz pogonskog momenta krivuljnog cilindra i prenosnog odnosa između krivuljnog cilindra i kvačila:

-Moment inercije zamajca, koji zavisi od obrtnog momenta zamajca , vremena udara , broja obrtaja zamajca kao i od pada broja obrtaja

-Snaga elektromotora nakon proračuna potrebnog ubrzavajućeg momenta iz momenta inercije zamajca , broja obrtaja motora kao i vremena pokretanja i maksimalnog ubrzavajućeg momenta motora koji daje proizvođać .

NmTK 2650=

iTT KKU /=

ST tΔ%5=Δn

nntTJ

S

SS Δ⋅⋅⋅

Δ⋅=

π2MP BT

SJ Mn stM 10=

maxBT

max2

BM

MSB T

tnJT ≤⋅⋅⋅

=π

19



U tabeli 4. su date izračunate vrijednosti za bitne osobine.

Funkcija Nosioci funkcija Osobine

Promjena energijeElektrične komponente povećati

Elektromotor sa mehaničkim podešavanjem

Snaga Br.obrtaja

Promjena broja obrtaja -Varijanta 4/3 Opseg reg.br. obrtaja

Akumulacija energije Zamajac Moment inercijeBr.obrtaja

Oslobađanje energije Elektro-magnetno kvačilo Prenosni obrtni momentSnaga

Energetske komponente povećati Prenosnik Izlazni prenosni obrtni momentpri broju obrtajaPrenosni odnos

kWPM 1,1=1min1000...380 −=Mn

6,2=R

24,1 kgmJS =1min1000...380 −=Sn

NmTKU 86=

kWPG 9=

NmTG 2650=1min32 −=Gn

7,40=Gi

20



Svi glavni nosioci funkcija, osim zamajca mogu se kupiti i biraju se.

-Prenosnik:

Cavex-Pužni prenosnik vrsta CHVW 160 (Firma Flender),

Snaga ,

izlazni obrtni moment pri ,

prenosni odnos

-Elektromagnetno kvačilo:

E-kvačilo Typ 0-008-301, veličina 17 (Firma Ortlinghaus),

prenosni obrtni moment

-Promjenljivi motor:

Stöber-Regelantrieb R25-0000-075-4,

Snaga ,

broj obrtaja ,

opseg regulacije broja obrtaja

kWPG 1,9=

NmTG 3800=1min3,32 −=Gn

31=Gi

NmTKU 120=

kWPM 75,0=

1min1750...350 −=Mn

5=R

21



-Izlaganje zamajca:

broj obrtaja

moment inercije

Pošto nisu uzimani gubici kao npr. gubici usljed trenja, uzima se veća vrijednost momenta inercije od predviđene.

Zbog uštede na težini zamajac se uzima kao izdubljeni cilindar:

vanjski prečnik ,

unutrašnji prečnik ,

širina ,

masa

Za proizvodnju u razmjeri, grubo projektovanje sljiedi na bazi slike 6. Prikazujući glavne nositelje funkcija pri dodavanju zadnjeg glavnog nosioca funkcije, okvira.

Pošto je visina gradnje mjesta za ručicu i glavčinu manja od krivolinijskog cilindra i pogona, u dogovoru sa poslodavcem slijedi odabir prostornih graničnih uvjeta za ispitno mjesto, slika 8.

1min1010 −=Sn29,1 kgmJS =

mmDA 480=

mmDI 410=

mmB 100=

kg38



Slika 8. Naknadni prostorni granični uvjeti

1. Mjesto za postavljanje ispitne mašine

2. Fundament

Kao materijal za okvir usvaja se U-čelik zbog sljedećih razloga:

-veliki moment inercije pri malom poprečnom presjeku,

-nema zaobljene čoškove,

-tri referentne površine

-jeftin materijal



Slika 9. Završeno grubo projektovanje



7. Glavni korak: Traženje rješenja za sporedne funkcije

Proizvodnja u razmjeri finog dizajniranja uključuje sljedeće radne korake:

-traženje i odabir rješenja za sporedne nosioce funkcija,

-fino podešavanje glavnih nosioca funkcija na osnovu sporednih nosioca funkcija,

-fino podešavanje sporednih nosioca funkcija

Sporedni nosioci funkcija mogu se podijeliti u tri grupe:

-sporedni nosioc funkcije za međusobnu vezu između glavnih nosioca funkcija

-sporedni nosioc funkcije za ležište pokretnih glavnih nosioca funkcija u okviru

-sporedni nosioc funkcije za čvrstu vezu glavnih nosioca funkcija sa okvirom

Sljedeća rješenja su pronađena:

-spojka između ručice i glavčine

-obrtno kruto kvačilo između pužnog prenosnika i krivuljnog cilindra



Veza između pužnog prenosnika i krivuljnog cilindra može se ostvariti na dva načina, slika 10.:

-pužni prenosnik sa šupljim vratilom-krivuljni cilindar

-pužni prenosnik obrtno kruto kvačilo-krivuljnin cilindar

Slika 10. Spoj između pužnog prenosnika i krivuljnog cilindra

Primjena obrtnog krutog kvačila je zbog sljedećih razloga-moguća odjeljena montaža pužnog prenosnika i krivuljnog cilindra-nema prekida u okviru zbog visokog položaja vratila-nema velikog razhoda oko centriranja pužnog prenosnika i krivuljnog cilindra

Upotrebljava se obrtno kruto Arpex-kvačilo (Fa. Flender).-obrtno elastično kvačilo između zamajca i elektromotora: Roflex-kvačilo (Fa. Flender).

26



Sporedni nosioci funkcija za ležište pokretnih glavnih nosioca funkcija u okviru:

-ležište zamajca

Zahtjevi: jednostavna proizvodnja zamajca, neposredna sigurnosna tehnika zbog prihvatanja dinamičkih sila,

visećih raspored skladištenja u okviru

Upotreba dijelova koji se mogu kupiti (ležišta sa valjkastim ležajevima) je ovdje nemoguća, zbog toga što se po pravilu livena ležišta koriste za samostojeće konstrukcije. Zbog veličina dinamičkih sila koje su relativno nesigurne koje nastaju na osnovi samokonstruisanog zamajca potrebno je obratiti posebnu pažnju na ležište.

-ležište krivuljnog cilindra i ručice: kotrljanjni ležaji

Sporedni nosioci funkcija za čvrstu vezu glavnih nosioca funkcija sa okvirom:

-kao veza se koriste zavareni komadi limova koji su navojnim spojem pričvršteni za glavnie nosioce funkcija

-specijalno: veza između sa ručicom

Zahtjevi: lahka montaža, rastavljiv spoj, uzdužno pomicanje, nema malih tolerancija

Koristi se prstenasta opruga RfN 7012 (Firma Ringfeder)

27



8. Glavni korak: Fino dizajniranje glavnih nosioca funkcija na obzir sporednih nosioca funkcija

Glavni nosioci funkcija se se prilagođavaju na rješavanju sporednih nosioca funkcija

U pojedinačnosti dobijamo:

-promjenljivi motor: nabavni dio

-zamajac: Slika 11.

-kvačilo: nabavni dio

-prenosnik: nabavni dio

-krivuljni cilindar: Slika 12.

-ručica: pogledaj gotov dizajn, Slika 13.

-glavčina: pogledaj gotov dizajn, Slika 13.

-okvir: promjene u odnosu na grubo projektovanje zbog promjene položaja motora

28



Slika 11. Zamajac i ležište zamajca (fino projektovanje)

29



Slika 12. Ležište krivuljnog cilindra (fino dizajniranje)

30



Slika 13. Privremeno gotovi projekat

31



9. Glavni korak: Fino dizajniranje sporednih nosioca funkcija i upotpunjavanje predhodnih projekata

Ležište zamajca (kao primjer):

-proračun sile u ležajevu:

sa masenom silom

i dinamičkom silom

Sa masom od

broja obrtaja (=max. Broj obrtaja motora)

ekscentritet zamajca: sa nepreciznosti mjere i oblika: 0,3mm

tolerancija zamajac-osovina i ležište: 0,2mm

nejednak raspored mase: 0.1mm

daje silu u ležaju od:

statdynL FFF +=

NgmFstat 400=⋅=

224 Sgesdyn nemF ⋅⋅⋅⋅= π

kgm 40=

1min1750 −=Sn

mmeges 6.0=

NFL 1130=

32



To znači, da pri pojavi drugih sila u ležištu (dyn.nosiva moć 65000N) i sve ostale, pod uticajem sila na dijelove, dovoljno su dimenzionisani.

-Rezonanca:

Dizajn ležišta i okvira je veoma krut, tako da pobuđivanju zamajca (max.30 Hz) u vlastitu frekvenciju je nemoguće.

-Izradnja:

izradnja dizajna, zato što ležištu zamajca nije potrebna mala tolerancija mjera sa okvirom

-Montaža:

Lahka montaža ležišta zamajca zbog:

•Jednostavna ugradnja ispod mašine

•Dobar pristup vijcima za pričvrštavanje

•Lahka podesivost elektromagnetnog kvačila

33



10. Glavni korak: Ocjenjivanje prema tehničkim i privrednim kriterijima

Pošto je izvršen samo jedan projekat, smisao ocjenjivanja nije upotrebljiv sa sljedećim izborom već ocjenjivanje samog projekta prema kriterijima za pronalaženje i popravke slabih mjesta. Kriteriji su izabrani iz sistema za konceptualno ocjenjivanje od kojih je izabrano 11 umjesto 13. Izabrana je skala od 0 do 14 bodova prema VDI 2225

34



Tabela 5.

35

Slika 14. Testna mašina



Documents

Primjer projektovanja