Seminarski virtuelni razvoj proizvoda ristic marko

UNIVERZITET U NIŠU MAŠINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD

DOKTORSKE STUDIJE

PREDMET: VIRTUELNI RAZVOJ PROIZVODA

Niš, jun 2011.

Student:

MSME Marko Ristić 91/09

Profesor:

Dr Vojislav Miltenović red. prof.

Seminarski rad – Virtuelni razvoj proizvoda Ristić Marko 91/09 2

Sadržaj 1. Razvoj proizvoda ...................................................................................................................................... 4

1.1 Drajveri i osposoblajvači virtuelnog razvoja proizvoda............................................................................... 6 1.2 Softver virtuelnog razvoja proizvoda .......................................................................................................... 7 1.3 Glavne prednosti računarski podržanog razvoja proizvoda ...................................................................... 10

2. Geometrijsko modeliranje ..................................................................................................................... 11 2.1 Istorijski razvoj geometrijskog modeliranja .............................................................................................. 12 2.2 Tipovi geometrijskog modeliranja - osnove .............................................................................................. 13

3. Modeliranje proizvoda ........................................................................................................................... 15 3.1 Kompozitni fičeri ....................................................................................................................................... 20 3.2 Biblioteke fičera ........................................................................................................................................ 21 3.3 Fičeri oblika ............................................................................................................................................... 21 3.4 Fičeri tolerancija ........................................................................................................................................ 22 3.5 Fičeri sklopova ........................................................................................................................................... 23 3.6 Parametarsko modeliranje ........................................................................................................................ 23

4. Vizuelizacija i interakcija ........................................................................................................................ 26 4.1 Virtuelna realnost ..................................................................................................................................... 29 4.2 Augmentovana realnost ............................................................................................................................ 31

5. Integrisani, distributivni i kolaborativni sistemi ...................................................................................... 33 5.1 Razmena podataka o proizvodu ................................................................................................................ 34 5.2 Računarski podržan kooperativni rad (CSCW) i Groupware ..................................................................... 38

6. Informacioni sistemi .............................................................................................................................. 40 6.1 PLM – Product Lifecycle Manegement ..................................................................................................... 40 6.2 PDM – Product Data Manegement ........................................................................................................... 42

7. Simulacija u razvoju proizvoda ............................................................................................................... 44 7.1 Uobičajena korisnička interakcija, sistemi za virtuelno simuliranje ......................................................... 45 7.2 Simulacija i proizvodnja ............................................................................................................................ 46 7.3 Digitalna simulacija životnog ciklusa ......................................................................................................... 47 7.4 Uvod u metodu konačnih elemenata........................................................................................................ 52 7.5 Maketa i prototip ...................................................................................................................................... 56 7.6 DMU (Digital Mock-Up) i VP (Virtual Prototype) ...................................................................................... 56

8. RP – Rapid Prototyping .......................................................................................................................... 58 8.1 RP tehnologije ........................................................................................................................................... 62 8.2 AM – Aditive Manufacturing ..................................................................................................................... 63 8.3 SLS – Selective Laser Sintering .................................................................................................................. 64 8.4 DMLS – Direct Metal Laser Sintering ........................................................................................................ 65 8.5 FDM – Fused Deposition Modeling ........................................................................................................... 66 8.6 SLA - Stereolitography ............................................................................................................................... 67 8.7 LOM – Laminated Object Manufacturing ................................................................................................. 68 8.8 EBM – Electron Beam Melting .................................................................................................................. 68 8.9 3D štampanje ............................................................................................................................................ 69

9. Sistemi za skladištenje i obradu znanja .................................................................................................. 73


10. Kompjuterska optimizacija ..................................................................................................................... 75 10.1 Analiza i konstrukcija............................................................................................................................... 76 10.2 Traženje optimuma ................................................................................................................................. 77

11. Literatura 1 ............................................................................................................................................ 79 12. Modeliranje CVT varijatora .................................................................................................................... 80

12.1 Metal-metal frictio characteristics and the transmission efficiency of a metal V-belt-type continuously variable transmission ...................................................................................................................................... 80 12.2 Karakteristike trenja metala po metalu i prenosna efikasnost varijatora sa metalnim V kaišima (naučno – stručni rad) ..................................................................................................................................... 96 12.3 Modeliranje proračuna gubitaka snage u varijatoru uz pomoć programa Wolfram Matematica ....... 113 12.4 Modeliranje proračuna gubitaka snage u varijatoru uz pomoć programa Matlab i Simulink .............. 121

13. Zaključna razmatranja .......................................................................................................................... 130


1 . RAZVOJ PROIZVODA

• Razvoj proizvoda je - proces koji se sastoji od niza koraka ili aktivnosti koje kompanija koristi da začne, konstruiše, razvije i komecijalizuje proizvod. - jedan deo u proizvodnom ciklusu proizvoda. - organizaciona jedinica unutar kompanije.

• Razvoj proizvoda sadrži - sve aktivnosti od početne ideje za proizvodom pa do lansiranja na tržešte - glavne faze su

- konceptualni dizajn - dizajn na sistemskom nivou - detaljni dizajn - testiranje i poboljšanje - proizvodnja

Slika 1.1: Proces razvoja proizvoda

Razvoj proizvoda je proces koji počinje od početne ideje za novi proizvod, pa sve do lansiranja proizvoda na tržište. Računarski hardver, komunikacije i softver danas igraju veliku ulogu u procesu razvoja proizvoda. Njihovo korišćenje koje podržava razvoj proizvoda može se povezati sa prednostima


koje donose kao što su smanjeni troškovi do lansiranja novog proizvoda na tržište, poboljšani kvalitet, i globalno podržani razvojni procesi. Računarski podržan razvoj proizvoda je više od samo računarskog modeliranja proizvoda, ali igra ključnu ulogu u razvoju i više je od običnog alata u tom procesu. Integrisani pristup CAx alatima i njihovo korišćenje su neophodni prilikom razvoja proizvoda, jedinstvenih zahteva tokom raznih faza razvoja, i razvoja celokupnog sistema uključujući industrijski dizajn, tehnički dizajn i proizvodnju. [1]

Slika 1.2: Tok informacija prilikom razvoja proizvoda

Povezivanje razvoja proizvoda sa računarima i softverom

• U računarskoj terminologiji razvoj proizvoda sadrži radnje kao što su: - reprezentacija i modeliranje - obrada i menadžment podataka i informacija - dokumentacija - analize i zaključci - proračuni i simulacije - pretraga - optimizacija - dijagnostika - obrada znanja i menadžment - sinteza ili generisanje koncepta

• Sve radnje uključuju obe i ljudske i računarske verzije ili radnje • Neke radnje kao što su sinteza su trenutno bolje odrađene od strane ljudi, dok druge kao

simulacija bolje od strane kompjutera.


1.1. Drajveri i osposobljivači virtuelnog razvoja proizvoda

• Drajveri

1. Smanjeno vreme koje je potrebno za konstruisanje i smanjeno vreme potrebno za lansiranje proizvoda na tržište. - Modeli i crteži – automatska izrada radioničkih crteža, smanjeno vreme za izradu crteža, automatizovani repetativni zadaci - Simulacije – Povećana količina računarskih simulacija - Validacija – Automatska provera i validacija konstrukcije - Integracija – Integrisani razvoj različitih divizija - Izmene u dizajnu – Potrebno je manje vremena da bi se izvršila izmena u konstrukciji i smanjeno je vreme prisjedinjavanja izmena u konstrukciji.

2. Smanjeni troškovi - Smanjeni troškovi u inženjerstvu - Smanjeni troškovi fizičkih prototipova i testiranja, - Smanjeni proizvodni troškovi - Smanjeni garancioni troškovi

3. Poboljšani kvalitet - Poboljšana preciznost modela i proizvoda, - Poboljšane performanse - Poboljšane tolerancije - Uzimanje u obzir više konstrukcionih varijanata i alternativa istovremeno - Poboljšane komunikacije, tok i kvalitet informacija tokom perioda razvoja - Poboljšana komunikacija između različitih disciplinarnih oblasti - Poboljšano razumevanje sistema.

4. Povećana proizvodna kompleksnost - Povećana veličina, razmera, i nivo integracije konstrukcija koje mogu biti realizovane

5. Povećan broj mogućih konstrukcionih varijanti - Moguće korišćenje adaptivnog modeliranja radi proizvodnje većeg broja varijanti.

6. Raštrkani konstruktorski timovi - Omogućena digitalna razmena informacija o modelu i drugih informacija

7. Raštrkane jedinice za dizajn, proizvodnju i servisiranje - Omogućena globalna kolaboracija i revizija konstrulcija i dizajna

Zajednička svojstva između drajvera

o Modeliranje - Korišćenje računara radi modeliranja proizvoda sa većom kompleksnošću pri

većoj tačnosti i sa većim sadržajem informacija radi integracije i automatizacije kroz različite oblasti.

o Podrška pri promeni dizajna i menadžment – Smanjeni troškovi prilikom izmene u konstrukciji i dodatnom radu, kao i brža izmena u konstrukciji.

o Simulacija – Izvođenje računarske simulacije kako bi se smanjili troškovi izrade fizičkog prototipa, kao i izrada simulacije radi boljeg razumevanja sistema i boljeg donošenja odluka

o Integracija i tok informacija – Integrisani CAx alati, poboljšana dostupnost informacija tokom perioda razvoja, i dobar menadžment podataka i informacija.

o Automatizacija – Automatizacija dosadnih i repetitivnih zadataka, automatizacija čisto računskih zadataka (simulacija), automatizacija veza između CAx alata


• Omogućavači: [1]

1. Povećana snaga računarskog hardvera i komunikacija 2. Povećane mogućnosti softvera 3. Bolja saradnja preko računara između dizajnera i inženjera 4. Integrisani CAx alati

1.2. Softver virtuelnog razvoja proizvoda

• CAD softver trenutno u upotrebi

- 3D parametarsko i solid modeliranje - baze za proizvodnju i konstrukcije - “jedinstveni” digitalni model (produkcioni model) - menadžment životnog ciklusa proizvoda (PLM – Product Lifecycle Manegment)

• U 3D CAD softveru danas dominiraju četiri proizvođača: - Dassault (Catia & SolidWorks) - PTC (Pro/ENGINEER) - UGS (Unigraphics, I-deas NX, SolidEdge) - Autodesk (Inventor)

• Pregled CAD softvera

o CAD Computer Aided Design – Računarski podržano konstruisanje o CAE Computer Aided Engineering – Računarski podržano inženjerstvo - FEM/FEA Finite Element modeling/ Finite Element Analysis –

Modeliranje korišćenjem konačnih elemenata/ Analiza konačnim elementima

- MBS Multi-Engineering/Multi-Physics simulation Multi-Inženjerska/Multi-Fizična simulacija - CFD Computational Fluid Dynamics – Računarska dimanika fluida - Kinematska simulacija - Baze podataka i informacija - Sistemi znanja - Generativni sistemi - Optimizacija o DMU Digital Mock-Up – Digitalni model (Digitalna maketa) o VP Virtual Prototyping – Virtuelni prototip o AR Augmented Reality – Augmentovana realnost o RP Rapid Prototyping – Brza izrada prototipa o RM Rapid Manufacture – Brza proizvodnja o CAPP Computer Aided Process Planning – Računarski podržano planiranje procesa o CIM Computer Integrated Manufacturing – Računarski podržana proizvodnja


o CAA Computer Aided Assembly – Računarski podržana montaža o CAQ Computer Aided Quality Assurance – Računarski podržana procena kvaliteta o CAR Computer Aided Robotics – Računarski podržana robotika o CAI Computer Aided Inspection – Računarski podržana inspekcija o CAT Computer Aided Testing – Računarski podržano testiranje o EDM Engineering Data Management – Menadžment inženjerskim podacima o PDM Product Data Management – Menadžment podacima o proizvodu o PLM Product Lifecycle Management – Menadžment životnog ciklusa proizvoda o Groupware (email, scheduling, etc), Word Processors, Spresdsheets

Slika 1.3: Računarski alati kod razvoja proizvoda

Slika 1.4: Računarski podržani sistemi za razvoj proizvoda


MODELIRANJE

PRILAGODJAVANJE VIZUELIZACIJA

INTEGRACIJA RAČUNANJE

MENADžMENT

KORISNIK

Ulazni uređaji Eksterni programi

Ulazni fajlovi

Komandna linija GUI (GKI) Eksterni

Eksterni programi Izlazni uređaji

KORISNIK

Slika 1.5: Disekcija CAD alata – osnovni moduli

• Modeliranje • Vizualizacija - geometrija - Grafički korisnički interfejs (GUI)

• 2D geometrija - Algoritmi za kreiranje pogleda i renderovanje

• 3D površi • Menadžment • 3D solidi - Istorija komandi • Biblioteke primitivnih delova - Menadžment promena

- struktura modela - Istorija revizija • Lejeri i grupe - … • Fičeri, komponente i sklopovi • Prilagođavanje • Informacije o proizvodu -

• Izračunavanja preko algoritama • Integracija - Evaluacija (detekcija preklopa) - formati za razmenu fajlova između

programa - Definisanje međusobnih odnosa (constraint) - …


Slika 1.6: Razvoj i perspektiva proizvođača CAD softvera

1.3. Glavne prednosti računarski podržanog razvoja proizvoda

• Fokusiranje na module i funkcionalnost CAD sistema izvan čisto geometrijskog modeliranja • Povećanje želje za korišćenjem CAD i CAx alate u ranijim fazama konstruisanja i dizajniranja, kada

je proizvod manje definisan. • Povećana upotreba simulacija u ranim fazama razvoja

→ “virtuelni test centri” ili “virtuelne laboratorije” na računarima.

• Važnost razvoja i vizuelizacije u “vizuelnom inženjerstvu”. • Potreba za integrisanijim modelima i pogledima kompleksnijih proizvoda. • Povećano interesovanje za automatizaciju radi većeg povećanja produktivnosti. • Tranzicija od alata baziranih na informacijama prema alatima baziranih na znanju. • Potreba za poboljšanim procesima radi efektivnijeg korišćenja CAD i CAx alata. [1]


MODELIRANJE



MENADžMENT

KORISNIK

Ulazni uređaji Eksterni programi Ulazni fajlovi



KORISNIK

2. GEOMETRIJSKO MODELIRANJE

Geometrijsko modeliranje čini osnovu CAD sistema i integralni je deo skoro svih velikih proizvodnih sistema i razvojnih procesa. Originalni drajveri za geometrijsko modeliranje uključujući NC mašine, tehničku dokumentaciju i iteraktivni grafički dizajn ostaju takođe važni. Geometrijsko modeliranje ide od 2D crteža do parametarskog 3D solid modeliranja, i može se reprezentovati skoro svaka kriva ili krivudava površ. Slobodne krivudave površi su naročito interesantne kod modeliranja gde je prioritet reprezentacija, kao na primer kod dizajna automobila. Parametarsko modeliranje se sada nalazi u većini CAD sistema i široko se koristi kod mehaničkog konstruisanja. Parametarsko modeliranje ima prednost zato što sadrži u sebi neke konstrukcione namere, omogućavajući brzo i jednostavno dobijanje raznih konstrukcionih varijanti, pamćenje izmena u konstrukciji i ponovno korišćenje ranijih modela. Treba imati u obziru da su CAD alati dobri za definisanje geometrije, ali ne i dovoljno dobri za razvoj dizajna i konstrukcija.

Slika 2.1: Disekcija CAD alata – osnovni moduli (geometrijsko modeliranje)


• Modeliranje • Vizualizacija - geometrija - Grafički korisnički interfejs (GUI)

• 2D geometrija - Algoritmi za kreiranje pogleda i renderovanje

• 3D površi • Menadžment • 3D solidi - Istorija komandi

• Biblioteke primitivnih delova - Menadžment promena - struktura modela - Istorija revizija

• Lejeri i grupe - … • Fičeri, komponente i sklopovi • Prilagođavanje • Informacije o proizvodu -

• Izračunavanja preko algoritama • Integracija - Evaluacija (detekcija preklopa) - formati za razmenu fajlova između

programa - Definisanje međusobnih odnosa (constraint) - … - …

Tabela 2.1: Disekcija CAD alata –moduli (udeo geometrijskog modeliranja) [1]

2.1. Istorijski razvoj geometrijskog modeliranja

Slika 2.2: Istorijski razvoj geometrijskog modeliranja


Slika 2.3: Informacioni sadržaj CAD modela

2.2. Tipovi geometrijskih modela – osnove

• 2D crteži (grafički model) – 2D tačke i linije • 3D žičani model (grafički model) – 3D tačke i linije • 3D površinski modeli

o Ekstruzija i svipovanje (extrusion, sweeping) o Bezier-ove krive i površine o B- splajnovi (krive i površine) o NURBS (krive i površine) o Skinovanje

• 3D solid modeli o Granična reprezentacija (B – reps) o Constructive solid geometry (CSG) o Prostorna dekompozicija (octrees) o Hibridni modeli

• Parametarski modeli


Tačnost Domen Jedinstvenost Validnost Kompaktnost ili efikasnost

B - rep Uglavnom približna

Uglavnom solidi i krive površine uz pomoć površinskih delića

Generalno nije jedinstveno; ali jednostavnije poređenje nego CSG

Uvek validna topologija ali ne obavezno i geometrijski tačna

efikasno

Quadtrees octrees

Uglavnom približna

Bilo koji solid Jedinstven za datu rezoluciju

Uvek validna reprezentacija nekih solida

efikasno

CSG Tačno Bez površinskih delića (pačeva)

Nije jedinstveno

Uvek validno ako su primitive validne

kompaktno

Tačnost – koliko tačno 3D model reprezentuje 3D objekat? Domen – koji se 3D objekti mogu predstaviti Jedinstvenost – reprezentacija je jedinstvena ako se može iskoristiti za predstavljanje bilo kog solida samo na jedan način Kompaktnost - čuva prostor u memoriji Efikasnost – efikasni algoritmi za računarske osobine, operacije i grafiku [1]

Tabela 2.1: Poređenje solid reprezentacija


KORISNIK


Ulazni fajlovi



KORISNIK

MODELIRANJE



MENADžMENT

3. MODELIRANJE PROIZVODA

Budući CAD sistemi će morati da skladište u sebi mnogo širi dijapazon informacija i podataka. Cilj je da modeli proizvoda u sebi sadrže osim modela i široki niz podataka koji je generisan i korišćen tokom procesa razvoja proizvoda i da obezbede centralno skladište konstrukcionih podataka koje je svima dostupno. Fičer modeliranje se trenutno koristi u većini CAD paketa koji se koriste u mašinstvu. U poređenju sa čisto geometrijskim modeliranjem, modeliranje sa fičerima obezbeđuje dodatni nivo informacija o modelu, sadrži informacije oprocesu kreiranja modela sa čime se lakše određuju radni zadaci, omogućava brže kreiranje modela, lakše i brže promene u konstrukciji.

Slika 3.1: Disekcija CAD alata – osnovni moduli (modeliranje proizvoda)


Proces konstruisanja detaljno opisuje proizvod od prvobitne ideje do dobijanja podloga za njegovu proizvodnju. Radi ispunjenja svih zahteva često su neophodne izmene u konstrukciji. Na primer rezultati FEM ili BEM proračuna mogu da zahtevaju izmenu na objektu konstruisanja. Za podršku takvih izmena može da se primeni parametarsko konstruisanje, gde je geometrija modelirana preko promenljivih parametara. Upravo u fazi nacrta, kada geometrija još nije detaljno razrađena, vrši se prevođenje funkcionalnih zavisnosti u geometrijske mere. Zbog toga se konture i elementi površina definišu preko promenljivih parametara i nizom relacija međusobno povezuju. Postupci konstruisanja odnosno oblikovanja baziraju se najčešće na jednostavnim geometrijskim elementima (primitivama). Takav pristup vrlo često ne daje konstruktoru dovoljnu predstavu o samoj konstrukciji. Vrlo često sam konstruktor ima potrebu da razmišlja o samoj funkciji proizvoda i postupcima njegove izrade. Kompjuterska nadogradnja ovakvog pristupa poznata je kao Feature-primena, čime je omogućen fleksibilniji rad u procesu razvoja proizvoda. Stremljenje ciljevima računarom integrisanog razvoju proizvoda nije moguće ispuniti raznim oblicima unutrašnjih računarskih prezentacija. Sredinom 80-ih godina uveden je pojam Model proizvoda, jer je poznato da nisu od značaja za integrisani razvoj proizvoda samo geometrijski podaci. Neophodnost prenošenje podataka iz jednog u drugi ili u više različitih CAD sistema je uzrokovala pojavu standardnog opisa modela proizvoda (STEP standard). Feature potpomaže kompjutersku razradu konstrukcionog zadatka. Informacije koje ona sadrži koriste se u svim fazama procesa razvoja proizvoda, tako da predstavljaju osnovu za metodski pristup razvoju proizvoda. Feature objekti sastoje se od semantičkog i geometrijskog dela. Form-Feature predstavlja skup geometrijskih elemenata. Takav geometrijski objekat može da se sastoji od grupe elemenata vezanih za konture, površine, zapremine ili delova, koji se shodno zahtevima kombinuju. Primer za to može biti veza vratilo-glavčina, gde postoji adekvatna kombinacija žlebova i otvora. Ovi objekti sadrže odgovarajuće geometrijske informacije. Suprotno tome semantika sadrži negeometrijske informacije, na primer podatke vezane za strukturu ili tehnološke podatke. Feature sematičke informacije mogu se opisati preko tri vrste atributa:

• Statički, tehnološki atributi, kao što su na primer tolerancije oblika i položaja, dodaci za obradu, • Parametri za odgovarajuće geometrijske veličine, kao što su na primer dužina rupe, standardni

prečnik zavrtnja, • Funkcionalni i tehnološki granični uslovi, kao na primer pravila ugradnje ili informacije o

kompletnoj Feature strukturi delova ili sklopova. Feature može na ovaj način da sadrži semantičke informacije vezane za oblik, koje daju i opis svrhe primene. Treba razlikovati Feature vezane za konstrukciju, izradu ili kvalitet. Konstruktoru se daje mogućnost da radi sa konstrukcionim elementima, čiji informacioni sadržaj obuhvata i kasnije procese, na primer vezane za NC-programiranje. Za razliku od konvencionalne tehnike modeliranja, koja se bavi čisto geometrijskim parametrima, ovde konstruktor ima na raspolaganju i semantičke sadržaje objekta konstruisanja. On može u svakom trenutku da ponovo definiše ili menja konstrukciju, ukoliko se na primer postupak izrade objekta konstruisanja menja, što ima za posledicu na primer promenu kvaliteta površina. U tom slučaju stoji na raspolaganju specijalna Feature-biblioteka, koja je u svakom trenutku dostupna korisniku. Sa uvođenjem Feature kao semantičkog objekta moguća je obrada informacija u sistemu razvoja proizvoda, koje su i izvan geometrijskog opisa samog proizvoda. Informacioni sadržaji Feature orijentisani su na semantičke parametre, koje su od izuzetnog značaja za korisnika (sl.3.2). [1]


SI.3.2. Korisnički aspekt Feature

• Modeli proizvoda su korisni za: - prezentovanje informacija - čuvanje informacija - pristup informacijama - razmenu informacija - ponovno korišćenje informacija

• Modeli proizvoda treba da sadrže ceo raspon informacija generisanih i korišćenih u procesu razvoja proizvoda

• Modeli proizvoda omogućavaju vezu između različitih disciplina i grupa - konstruisanje - marketing - …

• Zadak konstruktivnog izvođenja proizvoda dosta varira u mašinstvu i generalno je nerealno očekivati da jedan proizvodni model zadovolji sve namene.

• Model proizvoda treba da sadrži u sebi potrebne informacije tokom konstruisanja i razvoja proizvoda • Informacije koje treba da sadrži određeni deo, sklop…

- funkcija – koja je svrha konkretnog dela, predviđeno ponašanje - forma – predviđeno konstruktorsko rešenje (geometrija, materijal) - ponašanje – kako posmatrani deo implementira svoju funkciju, inženjerske performanse, proizvodljivost, cena - fizička dekompozicija - funkcijski i odnosi oblika - …

• Budući CAx sistemi đe morati da uskladište u sebi mnogo širi opseg informacija i podataka. • Geometrijski konstrukcioni metodi su najčešće veoma niskog nivoa za precizan dizajn • Promene u konstrukciji oduzimaju vreme


• Baza podataka koja predstavlja završenu konstrukciju napravljenu na geometrijski baziranom modelu CAD sistema najčešće ne sadrži sve informacije koje su potrebne za proizvodnju

• Modeliranje sa fičerima daje dodatni nivo informacija u CAD modelima:

- čini ih pogodnijim za konstruisanje - čini ih pogodnijim za integraciju u drugim aplikacijama, CAPP, CAM

Ciljevi konstruisanja sa fičerima - geometrija nije više najvažnija kod proizvoda - inženjerske modelske funkcije su materijalizovane preko geometrije - implicitne funkcije i fabrikacija su sada centralni model proizvoda

Originalna motivacija - sredinom 1970-tih - želja za integrisanjem CAD sa CAPP (Computer Aided Process Planing) - potreban pristup za pravljenje fičr podataka

Prednosti - prezentacija proizvoda koja je pravljena prema funkciji - poboljšanje svrhe konstrukcije tokom započinjanja procesa konstruisanja - poboljšana integracija između korisnika i CAx sistema - poboljšana komunikacija između različitih CAx sistema

Sada - modeliranje sa fičerima se trenutno nalazi u svim značajnijim CAD paketima u mašinstvu - to je ključna tehnologija u omogućavanju CAD/CAM

• Omogućava strategije i procedure koje su orijentisane prema korisniku, radi modeliranja i konstruisanja korišćenjem fičera za dizajn, proizvodnju i inspekciju

• Omogućava intuitivniji i brži process pravljenja geometrije preko fičera • Reprezentuje parametarske odnose i relativno pozicioniranje između fičera radi omogućavanja

izmena u konstrukciji • Obezbeđuje biblioteku sa fičerima koju korisnik može proširiti, na primer sa specifičnim fičerima

koji su karakterističnu za određenu kompaniju • Generični fičeri predstavljaju najčešće korišćene objekte • Obezbeđuje rutinu prilikom validacije fičera • Omogućava prepoznavanje fičera i rutinu ekstraktovanja fičera radi poboljšane integracije sa

drugim domenima, npr. CAM • Fičer je generični oblik ili karakteristika proizvoda sa kojim inženjeri mogu povezati određene

attribute i znanje korisno za razumevanje proizvoda • Fičer = geometrija i semantika

• Fičer je:

- fizički element dela - može biti mapiran kao generički oblik - ima inženjersku važnost - ima predvidljive osobine

• Primer fičera: Slepa rupa izbušena u materijalu Geometrijska forma: cilindar sa kupom na kraju (prečnik, dužina, ugao…) Semantika: Rupa koja je napravljena uz pomoć bušilice ne ide celom dužinom kroz material [3]


Nezavisne osobine fičera • Geometrijski oblik • Parametarske karakteristike,

npr. otvor koji se buši • Korisnički definisani parametric

i dimenzije, npr. prečnik • Zavisni parametric i dimenzije • Tolerancije orijentacije

Zavisne osobine fičera • Izvorni parametric fičera, npr.

debljina materijala u kome se buši otvor

• Lokacija fičera • Orijentacija fičera • Odnosi i veze vezane za

veličinu fičera, lokaciju, i orijentaciju

• Spoljne tolerancije

Tipovi fičera • Fičeri forme (oblika) – odnosi nominalne geometrije • Fičeri tolerancija – odstupanje od nominalne veličine, lokacije… • Sklopni (montažni) fičeri – relativne pozicije, spojevi, kinematske relacije … • Fečeri materijala – tip materijala, termička obrada… • Funkcionalni fičeri – funkcionalni parametric, performance… • …

Slika 3.3: Geometrijski model zasnovan na fičerima [2]


Slika 3.4: Tehnike kreiranja fičera

3.1. Kompozitni fičeri

Slika 3.5 Kompozitni fičeri

• Kompozitni fičeri dele dva ili više prostija fičera

• Grupni fičeri koji dele: - zajedničku konstrukcionu funkciju - zajedničku informaciju vezanu za proizvodnju -zajedničke geometrijske lokacije i odnose - zajednički material

• šablonski fičeri – predstavljaju ponavljajuće relacije među fičerima (šablon rupa)

• Kompaund fičeri – predstavljaju neponavljajuće relacije

• Odnosi su definisani parametarski u celom kompozitnom fičeru

• Prednost je mogućnost manipulisanja grupom fičera kao jednom jedinicom nego li individualno

• Kompozitni fičeri viših nivoa mogu biti napravljeni od dva ili više kompozitna fičera [1]

Fičer model

Fičer model Definicija oblika Atributi dimenzija Pozicija fičera Geometrijski odnosi (veze) Ne-geometrijski atributi

Geometrijski model

Geometrijski model B-rep CSG

Oba ili hibridni

Interaktivni grafički-korisnički interfejs za kreiranje fičera

1 konstruisanje uz pomoć fičera

2 Automatsko prepoznavanje fičera


3.2. Biblioteke fičera

Fičeri su uskladišteni u okviru CAD sistema u bibliotekama. Biblioteke fičera sadrže generične informacije o često upotrebljavanim fičerima. Biblioteke fičera takođe mogu biti organizovane po klasama kompozitnih fičera vezanih za domen aplikacije (npr. hidraulična instalacija). Ove biblioteke takođe se mogu proširiti dodavanjem gotovih biblioteka iz drugih aplikacija, kreiranjem novih biblioteka, uklanjanjem postojećih fičer biblioteka.

3.3. Fičeri oblika

• Delovi ukupne geometrije nekog dela • Predstavljaju ponavljajuće i uobičajene oblike • Parametri fičera oblika se klasifikuju kao

- nezavisne dimenzije - dobijene dimenzije – dimenzije dobijene od jednog ili više drugih fičera - pozicioniranje – orijentacija fičera

Slika 3.6.: Fičeri oblika


• Fičeri bazirani na skeču - Blokovi - Džepovi - Tanki solidi - Vratila - žlebovi - Rupe - Rupe sa navojem - Rebra - Slotovi - …

• Fičeri na modelu - Zaobljenja - Zaobljenja sa promenljivim radiusom - … - Obaranje ivica - Školjke - Navoji

Generični fičeri oblika – primer u programu CATIA:

Slika 3.7: Primer generične biblioteke šablona

3.4. Fičeri tolerancija

• Specifikacija, alokacija i analiza tolerancija: - osiguranje da će delovi ispravno funkcionisati - osiguranje da će delovi koji se masovno proizvode biti međusobno zamenljivi - osiguranje da se delovi mogu proizvesti i montirati - osiguranje robusnosti konstrukcije

• Tipovi tolerancija: - tolerancije veličina - tolerancije oblika (pravac, ravnost, kružnost, cilindričnost) - tolerancije pozicije (lokacija, sklopljivost) - složene otlerancije - tolerancije profila [2]


3.5. Fičeri sklopova

• Predstavljaju odnos između dva fičera oblika koji se nalaze na različitim delovima - Jedan nasuprot drugog i nasuprot dodirnih površina - Poravnjani ili paralelni – dve površine različitih delova su poravnjane i nalaze se u istoj ravni - Koaksijalni – Ose dvaju dela se nalaze u istoj liniji - Koincidentni – dve tačke su vezane i nalaze se na istom mestu [1]

Slika 3.8: Fičeri sklopova

3.6. Parametarsko modeliranje

Pored eksplicitnog geometrijskog modeliranja za mnoge konstrukcione zadatke primenjuje se parametarsko modeliranje. Najčešći zadatak u virtuelnom konstruisanju sastoji se u prilagođavanju postojećih projekta novim zahtevima. Glavni zahtev CAD sistema za konstruisanje sastoji se odatle u podršci varijantnom konstruisanju i ponovnoj upotrebljivosti postojećih projekata. Za bavljenje sa parametarskim modeliranjem treba praviti razliku između čisto parametarskog i varijantnog modeliranja. Osnova parametarskog i varijantnog konstruisanja je takozvana dimenziona geometrija (dimension driven geometry). Za razliku od klasičnih vrsta konstruisnja, dimenziona geometrija omogućava promene na konstrukciji kroz promene dimenzija. To znači da konstruktor najpre skicira konstrukciju, da bi se kasnije preko tačnih dimenzija bavio detaljisanjem. Drugim rečima dimenzioni podaci predstavljaju u dimenzionom projektu granične uslove geometrije. Stoga, govoriti o parametarskom i varijantnom konstruisanju znači govoriti o konstruisanju zasnovanom na ograničenjima (constraint based design). Značajni ciljevi računarom podržanog konstruisanja su automatizacija delova konstrukcionog procesa i ponovna primenljivost već egzistirajućih rešenja. Na osnovu slike 3.9. može se pratiti razvoj računarom podržanog konstruisanja sa stanovišta parametarskog modeliranja. Najpre se težilo razvoju sistema koji su podržavali čisto izradu crteža. Kasnije su ovi sistemi prošireni sa mogućnošću konstruisanja varijanti, npr. kroz pozivanje odgovarajućih geometrijski proizvedenih programa, koji su često integrisani u sistem ili izradom eksternog opisa varijanti za složene delove. Istovremeno


se razvijaju postupci, koji dozvoljavaju geometrijske granične uslove kao što su paralelnost i ortogonalnost kao i negeometrijske granične uslove kao što je definisanje funkcionalnih zavisnosti u crtežu. Zajedno sa razvojem dimenzione geometrije iz nje se razvijaju principi varijantnog konstruisanja.

Slika 3.1. Razvoj računarom podržanog konstruisanja

Kod makrotehnike konstrukcioni koraci i geometrijski modeli su memorisani u biblioteci modela, koji se, sa odgovarajućim parametrima, proizvoljno često ponovo izvršava, odnosno može se povezati sa geometrijom postojećeg modela. Iz ovoga je razvijena metoda 2D-parametarskog konstruisanja. U prošlosti su se primenjivaii atributi ''parametarski'' i ''varijantni'' uopšte kao sinonimi. Osnova parametarskom i varijantnom konstruisanju je mehanizam, koji povezuje geometriju konstrukcije sa parametrima, a ovi su jedni sa drugim u vezi. U biti razlikuju se dve metode: zamena dimenzionisanja preko promenljivih parametara u ekspiicitnom opisu kao što je B-Rep i implicitni opis konstrukcije preko opisnog jezika kao što je CSG ili PDGL Prva metoda se najčešće koristi kod 2D crteža i za ekstrudiranje 3D objekata iz 2D skica, dok se druga metoda primenjuje isključivo za opis 3D objekata. Veze između parametara se daju u obliku jednačina i nejednačina. Zajedno sa geometrijskim graničnim uslovima, kao što je paralelnost i upravnost, koje se na isti način prevode u oblik jednačina i nejednačina, daju sistem graničnih uslova (constraint system). Parametarske i varijantne konstrukcije se razlikuju se preko vrste rešenja ovih sistema graničnih uslova: dok kod parametarskih nastaju strogo sekvencijalna rešenja, dotle se kod varijantnih simultano rešavaju jednačine. Otuda je kod parametarskih konstrukcija neophodan sekvencijalni redosled ulaznih podataka graničnih uslova, dok sa kod varijantnih konstrukcija mogu dati granični uslovi u proizvoljnom redosledu. Ograničenja parametarskog modeliranja Problem rešavanja odgovarajućih ograničenja sistema preko parametarskog i varijantnog konstruisanja označava se kao centralni problem razvijenih sistema. S toga se, kada je u pitanju parametarsko konstruisanje, govori često samo o konstruisanju zasnovanom na ograničenjima. Ograničenja su prinudni uslovi na parametre oblika i položaja odnosno na geometrijske objekate modeliranog objekta. Oni se predstavljaju kao sistem jednačina i nejednačina parametara. Pri tom se razlikuju geometrijska i funkcionalna ograničenja. Često se ova ograničenja označavaju i kao topološki i ne geometrijski granični uslovi.


Na primer geometrijska odnosno topološka ograničenja su:

• vezivanje tačaka jedne linije, • paralelnost linija, površina, • tangentnost linija na krivama, glatkost površina na krivim površinama, • položaj prijanjanja tačaka, linija, površina.

Funkcionalna odnosno ne geometrijska ograničenja predstavljaju zavisnosti između parametara oblika i položaja. Ova se sastoje od promenljivih dimenzija i drugih, npr. tehnološki uslovljenih parametara. Primer za ovo su:

• određivanje rastojanja dveju tačaka, • funkcija parametara treba da ima određenu vrednost, npr. zapremina je funkcija parametara L, H i

B, ne sme da prekorači 100 mm3 (V=f(L, H, B)<=100), • zavisnost između parametara definiše npr. l=(a+b)/2, • dužinu poluge izabrati srazmerno sili kao i • montaža podsklopova u kućištu.

Sistem ograničenja može biti:

• preodređen, kada ograničenja zavise od drugih ograničenja, tj. naveden je preveliki broj ograničenja,

• dobro određen odnosno tačno određen, kada postoji konačan broj rešenja odnosno tačno jedno rešenje • podređen, kada ne egzistiraju jednoznačna rešenja odnosno neograničen broj rešenja.

Problem preodređenog sistema ograničenja je da za ovaj slučaj često ne egzistira rešenje. U praksi se najčešće sreće podređen sistem ograničenja. Za predstavljanje ograničenja uglavnom se primenjuju dva oblika:

1. sistemi jednačina i nejednačina za čije rešavanje se koriste numeričko-algebarski solveri, 2. sistem ograničenja u obliku predikata i pravila za čije rešavanje se koristi simboličko-algebarski solveri koji

su baziran na pravilima.


MODELIRANJE



MENADžMENT

KORISNIK


Ulazni fajlovi

Komandna linija

GUI (GKI) Eksterni

Eksterni programi

Izlazni uređaji

KORISNIK

4. VIZUALIZACIJA I INTERAKCIJA

Slika 4.1: Disekcija CAD alata – osnovni moduli (VIZUELIZACIJA I INTERAKCIJA)

Vizuelizacija može biti je bilo koja tehnika za kreiranje slika, diagrama, ili animacija radi prenošenja poruka.Vizuelizacija danas ima sve širu upotrebu u nauci, inženjerstvu, multimediji, medicini, itd. Tipičan primer vizuelne aplikacije je u kompjuterskoj grafici. Izum kompjuterske grafike je najverovatnije najvažni događaj u razvoju vizuelizacije još od otkrića centralne prespektive u renesansi. Razvoj animacije takođe je doprineo usavršavanju vizuelizacije. Naročito velika primena vizuelizacije je u raznim granama nauke. Vizuelizacija u nauci predstavlja transformaciju, selekciju ili reprezentaciju podataka dobijenih uz pomoć simulacija ili eksperimenata, kako bi se omogućilo istraživanje, analiziranje i razumevanje podataka. Tradicionalne oblasti naučne vizuelizacije su analiza strujanja fluida, vizuelizacija u medicini, astrofizička vizuelizacija i hemijska vizuelizacija. Vizuelizacija u razvoju proizvoda uključuje vizuelizacionu tehnologiju za posmatranje i


manipulaciju nad 3D modelima, tehničkim crtežima i drugom dokumentacijom koja je važna za proizvodnju komponenata i sklopova. Ona je klučni deo menadžmenta životnog ciklusa proizvoda. Softver za vizuelizaciju proizvoda obično pruža visok nivo fotorealizma, tako da se proizvod može videti pre nego što bude napravljen. Tehnička vizuelizacija je važan deo razvoja proizvoda. U početku su tehnički crteži izrađivani ručno, ali sa usponom napredne kompjuterske grafike crtačka tabla je zamenjena CAD softverom. CAD crteži i modeli imaju nekoliko prednosti nad ručno izrađenim crtežima kao što su mogućnost 3D modeliranja, brza izrada prototipa i simulacija. [4] Virtuelno inženjerstvo se definiše kao integracija geometrijskih modela i srodnih inženjerskih alata kao što su alati za analiza, simulaciju, optimizaciju i alati za donošenje odluka u okviru kompjuterski generisanog okruženja koje obuhvata midtidisclipinarni kolaborativni razvoj proizvoda. Virtuelno inženjerstvo deli mnoge karakteristike sa softverskim inženjerstvom, kao što su sposobnost dobijanja različitih rezultata kroz različite implementacije. Okruženje virtuelnog inženjerstva je korisnički orijentisano, omogućava korisniku prirodnu interakciju sa projektovanim sistemom i pruža širok raspon dostupnih alata. Ovo zahteva inženjerski model koji uključuje geometriju, fiziku, kvantitativne i kvalitativne podatke realnog sistema. Korisnik ima mogućnost da posmatra projektovani sistem, njegov rad i reakciju na promene u konstrukciji, radu, ili bilo koje druge inženjerske modifikacije. Interakcija sa virtuelnim okruženjem treba da ima shvatljiv interfejs, pogodan korisnikovim tehničkim znanjima i ekspertizama, kako bi korisniku bilo omogućeno da istražuje i otkriva nepredviđene i kritične detalje u vezi ponašanja sistema. Takođe inženjerski alati i softver treba da budu prirodno ukomponovani u okruženje kako bi omogućili korisniku da se fokusira na inženjerski problem. Glavni cilj virtuelnog inženjerstva je da podstakne ljudski kapacitet za kompleksnom evaluacijom. Virtuelno inženjerstvo omogućava inženjerima da rade sa objektima u virtuelnom prostoru bez razmišljanja o tehničkim informacijama vezanim za objekat. Kada inženjer uzme virtuelnu komponentu, pomera je i menja je, on samo treba da razmišlja o posledicama koje takvi potezi donose antipodu te komponente u stvarnom svetu. Inžinjeri takođe treba da budu sposobni da naprave sliku sistema, različite delove sistema, i kakav će biti međusobni odnos između elemenata. Kada inženjeri mogu de se fokusiraju na donošenje odluka vezanih za konkretne inženjerske probleme umesto da razmišljaju o tehničkim informacijama, skraćuje se vreme potrebno za ciklus konstruisanja kao i troškovi. [4] Glavni cilj korišćenja kompjuterske vizuelizacije u razvoju proizvoda je poboljšanje komunikacije i razumevanja ideja, problema i solucija. Mnoge inženjerske kompanije danas oslanjaju se svakodnevno na 3D grafičku vizuelizaciju u CAx alatima. Vizuelizaciona funkcionalnost nastaviće da se širi i poboljšava koristeći povećanje kompjuterske snage i reprezentativne tehnologije. Virtuelna realnost omogućava korisnicima da urone u virtuelni svet, komuniciraju sa virtuelnom realnošću koristeći osim vizuelnih i druge senzorske kanale kako bi zamislili da su i oni deo virtuelne realnosti. Augmentovana realnost omogućava integraciju virtuelnih informacija u stvarnom svetu kako bi pomogla korisnicima da lakše obavljaju zadatke u stvarnom svetu. [1]

• Interaktivno oblikovanje i manipulacija modela danas igraju glavnu ulogu u CAx alatima • Vizualizacija uz pomoć kompjuterske tehnologije omogućava efektivnu komunikaciju između ljudi

prilikom razvoja proizvoda u mnogubrojnim funkcijama prilikom tog procesa • Kompjuterska vizuelizacija omogućava:

- Konstrukcionu komunikaciju - Jednostavno razumevanje, npr. između konstruktora i proizvođača - Smanjuje vreme i poboljšava donošenje odluka

• Glavni cilj vizuelizacije i interakcije sa CAx alatima je kreiranje sistema koji su: - Visoko vizuelni i interaktivni (virtuelno) - Intuitivni - Laki za učenje i korišćenje - Stabilni - Prilagodljivi


Slika 4.2: Razvoj korisničkih interfejsa

Slika 4.3: Evolucija CAD interfejsa

Većina današnjih CAD sistema su pravljeni za intuitivno korišćenje u Windows okruženju, može ih koristiti širi krug ljudi jer je potrebno kraće vreme za obuku. Poseduju visokokvalitetnu vizuelizacionu funkcionalnost, i omogućavaju prilagođavanje interfejsa prema potrebama korisnika. [1]


4.1. Virtuelna realnost

• Virtuelna realnost je visokotehnološki korisnički kompjuterski interfejs koji uključuje simulacije u realnom vremenu i interakcije kroz više senzorskih kanala

• Senzorski kanali mogu biti: vizuelni, zvučni, taktilni, kanali mirisa i ukusa • VR omogućava intuitivnu interakciju sa virtuelnim svetom • Računari sa velikom kompjuterskom snagom omogućavaju rad takvih interfejsa • Korisniku koji se takođe u ovom slučaju naziva i Sajbernaut omogućenu je da uroni u virtuelni svet

• Za integrisanje korisnika u virtuelni svet potrebne su tri komponente: - Uranjanje: biti uronjen u virtuelni svet. Što je veći broj čula povezan ili adresiran sa virtuelnim svetom to je impresivnije i uranajnje - Interakcija: interakcija sa virtuelnim svetom. Korisnik je sposoban da koristi i manipuliše sa virtuelnim svetom. - Imaginacija: je neophodna kako bi se imao osećaj pripadnosti i dela sa virtuelnim svetom. [1]

Virtuelna realnost (VR) je termin koji se odnosi na kompjuterski simulirana okruženja koja mogu da simuliraju fizičko prisustvo u mestima iz stvarnog sveta kao i u mestima iz izmišljenog sveta. Većina trenutnih okruženja u virtuelnoj realnosti su pre svega vizuelne prirode, prikazana ili na kompjuterskom displeju, ili preko specijalnih stereoskopskih displeja, ali neke simulacije uključuju i dodatne čulne informacije, kao što su zvuk preko zvučnika ili slušalica. Neki napredni haptički sistemi sada imaju i taktilne informacije, generalno poznate kao povratna reakcija i koriste se u medicinskim i igračkim aplikacijama. Simulirano okruženje može biti slično stvarnom svetu kako bi se kreiralo iskustvo slično stvarnom – na primer, pilotske borbene simulacije, ili može bitno da se razlikuje od realnosti – na primer VR igrice. U stvarnosti, veoma je teško napraviti istinski verno VR iskustvo, uglavnom zbog tehničkih ograničenja vezanih za procesorsku snagu, rezoluciju slika, i protok informacija, ali ipak tehnologija pruža nadu da će ova ograničenja biti vremenom prevaziđena sa povećanjem procesorske snage i njenjim pojeftinjenjem. Virtuelna realnost se često koristi za opisivanje širokog opsega aplikacija često povezanih sa uranjajućim, visokovizuelnom 3D okruženjima. U knjizi “Metafizika virtuelne realnosti” koju je napisao Michael R. Heim, identifikovani su sedam različitih koncepta virtuelne realnosti: simulacija, interakcija, izveštačenost, uranajnje, teleprisustvo, uranjanje celim telom, i mrežne komunikacije. [5] Postoji povećano interesovanje za potencijalni socijalni uticaj novih tehnologija, kao što su virtuelna realnost. Mychilo S. Cline u svojoj knjizi “ Moć, ludilo i besmrtnost: budućnost virtuelne realnosti” govori o tome da će virtuelna realnost dovesti do brojnih promena u ljudskom životu i aktivnosti ljudi. Njegova najvažnija zapažanja su: Virtuelna realnost biće integrisana u svakodnevni život i aktivnosti, i biće korišćena na različite

načine Doći će do razvoja tehnika koje će uticati na ljudsko ponašanje, međuljudsku komunikaciju i

razumevanje Kako provodimo sve više i više vremena u virtuelnom svetu, doći će do “blage migracije u virtuelni

svet”, što će dovesti do velikih promena u ekonomiji, pogledu na svet, i kulturi. Dizajn virtuelne realnosti može biti iskorišćen za proširenje osnovnih ljudskih prava na virtuelni

svet, radi promovisanja ljudskih sloboda, i radi promovisanja socijalne stabilnosti kako budemo prelazili sa jednog stupnja socio-politićkog razvoja na sledeći. [6]


Virtuelna realnost se takođe koristi za razvoj novih proizvoda, kao pomoćni alat u inženjerskim i proizvodnim procesima, za razvoj novih prototipova, i simulaciju. Pored ostalih primera: automatizovanje elektronskih dizajna, CAD, analiza konačnih elemenata, i kompjuterski podržana proizvodnja. Korišćenje stereolitografije i 3D štampe pokazuje kako grafičko modeliranje može biti primenjeno za kreiranje fizičkih delova realnih objekata koji se koriste u pomorstvu, aeronautici i automobilskoj industriji. Pored modeliranja, montaže delova, 3D računarske grafičke tehnike se trenutno koriste u istraživanju i razvoju medicinskih uređaja i terapija, tretmana, praćenja stanja pacienata, i ranih dijagnoza kompleksnih bolesti.

Slika 4.4: Primeri virtuelne realnosti [1]


4.2. Augmentovana realnost

• Augmentovana realnost je takođe poznata i kao miksovana realnost • Radi omogućavanja ljudima da obavljaju određene zadatke u realnom svetu, realni svet se

obogaćuje virtuelnim informacijama • Neophodne komponente za dobijanje augmentovane realnosti su

- specializovani izlazni uređaji, npr. specialne naočare - dobri sistemi za praćenje - algoritmi za prepoznavanje šablona

• Augmentovana realnost se najčešće koristi u sledećim oblastima - vojska - medicina - montaža - održavanje

Slika 4.5: Primeri augmentovane realnosti

• Augmentovana realnost u hirurgiji:

- stari sistem – korišćenje monitora za prikaz podataka sa instrumenata unutar tela - AR sistem – prikaz podataka korišćenjem poluprovidnih naočara radi obogaćivanja stvarnog sveta sa virtuelnim informacijama - sistem praćenja radi bolje preciznosti [1]

Slika 4.6: Primena augmentovane realnosti u hirurgiji [1]


Augmentovana realnost (AR) je termin za direktni ili indirektni prikaz u realnom vremenu fizičkog okruženja iz stvarnog sveta, čiji elementi su izmenjeni uz pomoć kompjuterski-generisanog senzorskog ulaza, kao što su zvuk ili grafika. Povezana je sa opštijim konceptom nazvanim mešana ili miksovana stvarnost, u kojem je prikaz realnosti modifikovan od strane računara. Kao rezultat, tehnologija funkcioniše obogaćivanjem nečije trenutne percepcije stvarnosti. U kontrastu sa ovim, virtuelna realnost funkcioniše tako što zamenjuje stvarni svet sa simuliranim. Augmentacija je u realnom vremenu i u semantičkom kontekstu sa elementima iz okruženja, kao što je prikaz rezultata sa sportskih događaja na televizoru. Uz pomoć napredne AR tehnologije (dodavanjem kompjuterske vizuelizacije i sistema za prepoznavanje objekata) informacije iz okolnog realnog sveta u kome je korisnik postaju interaktivne i digitalno manipulativne. Istraživači proučavaju mogućnost korišćenja kompjuterski generisanih slika prilikom prikaza video materijala u realnom vremenu kako bi se obogatila percepcija o realnom svetu. Glavne hardverske komponente za ostvarivanje augmentovane realnosti su: procesor, displej, ulazni uređaji i mikroelektromehanički senzori kao što su akcelometari, GPS sistemi. Primena augmentovane realnosti Podrška pri radu: Kompleksne radnje kao što su montaža, sklapanje ili hirurški zahvati mogu biti pojednostavljeni umetanjem dodatnih informacija u polje vidokruga. Na primer, moguće je prikazati oznake na delovima u nekom sklopu kako bi se dala uputstva osobi koja izvodi montažu, održavanje i popravku sistema. AR može da prikaže skrivene objekte, što može da bude naročito značajno u medicini i dijagnostici. Primeri za to su virtuelni rentgenski vid koji se zasniva pre svega na tomografiji ili slika dobijenih u realnom vremenu uz pomoć ultrazvuka, mikrokonfokalnih sondi, nuklearno-magnetne rezonance. Navigacija: AR može poboljšati efikasnost navigacionih uređaja. Na primer navigacija unutar zgrade može doprineti boljem održavanju fabrika. Navigacija može biti augmentovana za vojne operacije, ili saniranje katastrofa. Primer ove primene augmentovane realnosti je na primer u automobilima kao što je projektovanje relavantnih podataka na šoferšajbni automobila. Takođe i prikaz informacija na pilotskoj kacigi u borbenom avionu F-35, koja omogućava pilotu da “vidi” kroz zidove pilotske kabine aviona. Industrija: AR može biti korišćena za upoređivanje digitalnih modela sa fizičkim modelima radi povećanja efikasnosti u nalaženju razlika među njima. Upoređivanjem digitalnih podataka sa postojećim realnim prototipovima može se smanjiti broj realnih prototipova i poboljšati kvalitet finalnog proizvoda. Kolaboracija: AR može poboljšati kolaboraciju između članova tima uz pomoć konferencija bilo sa realnim ili virtuelnim učesnicima.


5. INTEGRISANI, DISTRIBUTIVNI I KOLABORATIVNI SISTEMI

Veći broj ponekad simultanih procesa je ponekad neophodan prilikom razvoja proizvoda. Kontinualna upotreba podataka o proizvodu u računarskim modelima je veoma važna za održanje kontinualnosti i smanjenja veremena razvoja i troškova. Ovo čini razmenu podataka neophodnom.

Slika 5.1: Kontinualno korišćenje podataka o proizvodu

Razlozi za razmenu podataka:

• Smanjenje potrebnog vremena i troškova prilikom razvoja proizvoda • Smanjenje grešaka • Poboljšanje kvaliteta uz pomoć jasnoće • Poboljšanje dostupnosti informacijama i internu/eksternu razmenu • Smanjenje administrativnih troškova


Problem koji se javlja prilikom razmene digitalnih informacija je međusobna nekompitabilnost određenih tipova fajlova kod kompjuterskih programa:

- Interna studija u jednoj od velikih američkih automobilskih industrija pokazala je da su troškovi zbog nekompitabilnosti kompjuterskih fajlova između $200 miliona i $400 miliona po programu za jedno vozilo. - STEP ima potencijal da uštedi oko $928 miliona godišnje tako što će smanjiti probleme oko razmene fajlova u automobilskoj industriji, avio industriji i brodogradnji. - Trenutne uštede od STEP formata su oko $156 miliona godišnje [1]

Slika 5.2: Integracija alata u razvoju proizvoda

5.1. Razmena podataka o proizvodu

• Izazovi - Različiti CAD sistemi često imaju potpuno drugačije načine definisanja geometrije, parametara, geometrijskih karakteristika, i stabla događaja prilikom konstruisanaja. - Potpuno automatizovani transfer jednog modela u potpuno drugačiji softver je vrlo retko moguć. - Maksimalna količina podataka koji se mogu preneti je ograničena prema specifičnim mogućnostima modelovanja slabijeg siatema

• Alternative - transfer fajlova

o Izabrani format fajla o Neutralni format

- zajednička baza - zajednička arhitektura


Slika 5.3: Direktna i indirektna razmena fajlova

Mogući scenariji prilikom razmene fajlova

• Standardizacija uz pomoć jedinstvenog sistema - Zagarantovana mogućnost razmene, ako je i verzija takođe standardizovana - Posledica: Nametanje jedinstvenog standarda svim članovima lanca snabdevanja može da bude veoma teško i skupo.

• Lični translatori (prevođenje od tačke do tačke) - Translatori rade dobro za dobro definisane podatke i prevodilačke zadatke - Posledica: Potreban veliki broj translatora, i njihovo apdejtovanje

• Razmena uz pomoć neutralnog formata - Potrebno je manje translatora - Posledica: gubitak dela podataka

• Ručna izrada izpočetka - prednost – dobijanje fajla u izvornom formatu - posledica – skupo i sklono ljudskim greškama

Interoperiabilnost Cena Fleksibilnost Jedinstveni sistem

Visoka Niska Niska

Lični translatori Visoka Visoka Niska Neutralni format

Srednja Niska Visoka

Tabela 5.1: Prednosti i mane različitih načina razmene fajlova


Slika 5.4: Proces razmene podataka

Uobičajene poteškoće prilikom razmena fajlova preko neutralnog formata: [1]

• Kvalitet podataka: - Numerička zaokruživanja i netačnosti - Različito implementirani modeli algoritama – kreiranje površina i zaobljenja - Interna reprezentacija u oba sistema može biti različita prema neutralnom formatu i međusobno:

o Luk preko IGES-a je definisan preko centra, početne i krajnje tačke o Luk u CAD sistemu je definisan preko centra, radiusa, početnog i krajnjeg ugla

- Urušene ili preokrenute površi - Modeli koji ne oformljuju zatvorene solide (površi i ivice se ne dodiruju) - Modeli sa pogrešnom orijentacijom fičera - …

• Razmena podataka - Podaci se gube ukoliko:

o Neutralni format ne podržava unete podatke o Postprocesor ne podržava unete podatke o Primajući CAD sistem ne podržava unete podatke

- Pre i post procesor neutralnog formata različitih CAD sistema može da ne uzme u obzir puno značenje trenutne specifikacije što može da dovede do veoma različitih i nepreciznih rezultata.

Kompletni modeli se možde i ne razmene pouzdano, pa je: - Potrebno uložiti znatan rad na uveženim fajlovima ili modelima proizvedenih od njih što dovodi do gubitka vremena i novca - korišćenje programa za automatsko krpljenje i popravljanje:


Primer neutralnog formata – IGES

IGES (Initial Graphics Exchange Specification) je bio prvi standard za razmenu formata, i godinama je bio najčešće korišćeni neutralni format između sistema, CAD, FEM…

• Informacije koje se prevode kod IGES (podaci koji definišu proizvod):

- Geometrija (CSG, B-rep, površine, krive, tačke) - Napomene i vrednosti dimenzija - Informacije o lejerima, bojama, debljini linija, tipova linija - Konačni elementi i rezultati (tačke i elementi)

• Prednosti: - Najčešće korišćeni format u svetu - Može ga koristiti skoro svaki CAD softver - Jednostavni format, što omogućava i jednostavno korišćenje - Pouzdano rešenje neutralnog formata

• Mane: - Ograničen na konstrukcione podatke (geometrija, topologija i napomene) - Ne podržava mnoge druge oblike podataka koji su potrebni za druge aspekte razvoja proizvoda: proizvodnja, marketing, tehnička analiza, analiza troškova, i konfiguracioni menadžment - IGES 6.0 je i poslednji upgrejd IGES-a

Primer neutralnog formata – VDA-FS Prenosni format VDA-FS (VDA-Flaechen Schnittstelle) je razvijen od strane VDA (Nemačke asocijacije u automobilskoj industriji) specijalno za transfer podataka o 3D krivama i površinama slobodne forme.

- Cilj je poboljšanje efikasnosti u CAD/CAM sistemima uz pomoć prilagođavanja neutralnog IGES formata specifičnim potrebama u automobilskoj industriji - IGES može prevesti slobodne krive i površi samo do trećeg stepena - VDAFS može prevesti slobodne krive i površi do n-tog stepena - Baziran na IGES-u ali je sa njim konkurentski - Ograničenja:

o Ograničen samo na krive linije i površi slobodne forme o Krive i površi moraju biti u polinomskoj reprezentaciji

- Jednostavno pre i post-procesiranje

Primer neutralnog formata – STEP STEP (Standard for the Exchange of Product Data – Standard za razmenu podataka o proizvodu)

• Namenjen za razmenu svih podataka o proizvodu između različitih CAx sistema - podaci za kompletni opis proizvoda - podaci relevantni za ceo životni ciklus proizvoda

• Pruža okvir za modele proizvoda • Predviđena su četiri nivoa razmene podataka

- Fizički transfer fajlova - Pristup i razmena u deljenjoj memoriji - Pristup i razmena u deljenoj bazi podataka - Razmena podataka baziranih na znanju


• Specifični podaci vezani za aplikaciju se drže u zasebnom modulu odvojeno od geometrije • Koristi se formalni jezik EXPRESS, za definisanje strukture podataka koja onda kreira fajl, umesto

kreiranja samo formata fajla • Obezbeđuje superiorniju funkcionalnost u odnosu na IGES, ali je još uvek u procesu sticanja

naklonosti u industriji [1]

Razmenjeni podaci o proizvodu VDAFS 2.0

IGES V 5.3

STEP AP 214

Geometrija i topologija (2D, 3D)

Crteži sa dimenzijama (Raspored, reference za trodimenzionalnu geometriju)

/

Osobine proizvoda (Materijal, težina, odlaganje)

/ /

Površinske karakteristike (hrapavost, tvrdoća)

/ /

Tolerancije (forma, situacija, mera, naleganje)

/ /

Kinematika (informacije o spojevima, stepenima slobode)

/ /

Fičeri oblika (Osovina, rupa)

/ / /

Parametarska geometrija (Parametarski odnosi i veze)

/ / /

Tabela 5.2: Upoređivanje neutralnih formata

5.2. Računarski podržan kooperativni rad (CSCW) i Groupware

Fokus na proces rada : CSCW Tehnološki fokus: Groupware • CSCW prati kako grupe rade i

pokušava da otkrije tehnologiju (naročito računare) koja može da im pomogne.

• Groupware se definiše kao: kompjuterski bazirani sistemi koji podržavaju grupe ljudi koji su udruženi radi obavljanja zajedničkog zadatka ili cilja i to pruža interfejs deljenom okruženju. • CSCW adresira sledeće specifične

zahteve kooperativnog rada - sinhronizacija kooperativnog rada - deli informacije - adaptira tehnologiju u organizaciji i obratno

• Groupware se bavi tehničkim problemima sjedinjavanja interfejsa između čoveka i računara tako što pruža višekorisnička okruženja za, u principu, bilo koji aplikativni program

Značajke vezane za računarski podržani kooperativni rad Podrška sinhronizovanom radu

• Kooperativni rad zahteva sinhronizaciju. Sinhronizacija obuhvata sve zadatke potrebne za koordinaciju određenog zadatka, uključujući i podzadatke, oporavljanje od grešaka i okupljanje resursa.


• Kada se razmatra kooperativni rad kao tok informacija, sinhronizacioni rad neophodan za ostvarivanje toka mogućim ne sme se zapostaviti.

• Cilj kompjuterske podrške treba da bude podrška samoorganizovanju kooperativnih sklopova pružajući više alternativnih kanala interakcije.

Deljenje informacionog prostora

• Deljene informacije moraju biti transparentne • Deljene informacije moraju pružiti kontekstualno znanje • Mora se uzeti u obzir raznolikost i neskladnost umešanih učesnika

Dizajniranje socio-tehničkih sistema

• Sistem podrške će uvek uticati na radnu organizaciju • Kada se dizajniraju CSCW aplikacije gomila formi socialnih interakcija koje igraju ulogu u

oblikovanju radnih organizacija moraju biti analizirane. [1] Koncept višekorisničkog okruženja Mane konvencionalnih samostalnih programa

• Dostavljanje većem broju korisnika – zasebne instalacije na više mašina • Menadžment verzija – apdejtovanje više kopija jednog te istog programa

Alternative samostalnim programima koji rade na samostalnim mašinama

• Instalacija na višekorisničkim serverskim mašinama (Unix, Mainfram) • Fajl serveri

Definicija: Klijent-Server (C/S) arhitektura

• Pristup aplikacionom dizajnu koji koji dekompozituje funkcionalnost cele aplikacije na dva razdvojena kompjutera, klijent i server koji rade zajedno preko mreže

• Glavne prednosti: - Lakše organizovanje - Interoperabilnost (heterogene platforme)

Definicija: Klijent, server, middleware (međusistem) • Klijent: Proces koji šalje zahteve preko mreže ka serveru radi obavljanja određenog zadatka • Server: Proces koji prima zahteve od klijenata i obrađuje ih • Zadatak: Bilo koji specializovani zadatak • Međusistem: Softverska komponenta koja se nalazi između klijenata i servera i omogućava

interakciju između njih Primeri sistema klijent-server

• Fajl serveri – omogućavaju manipulaciju nad sistemima fajlova preko udaljenih računara • Serveri baza podataka – Podhranjuju traženim podacima i modifikuju podatke prema zahtevu • Grupver serveri – Omogućavaju razmenu nestruktuiranih informacija kao što se e-mail,

dokumenti… • Serveri operativnog sistema – Dozvoljavaju pristup udaljenim korisnicima • Web serveri – obrađuju HTTP zahteve i obezbeđuju dokumente (obično HTML) [1]


6. INFORMACIONI SISTEMI Poboljšanje kolaboracije i toka informacija

• Povećana kolaboracija je poželjna u aktivnostima kompanije i kroz ceo lanac snabdevanja • Jedno istraživanje pokazuje da inženjeri potroše 11% njihovog vremena na kreativne aktivnosti,

34% vremena na administraciju, 31% na komunikacije, 24% vremena čekajući odobrenja, odluke i informacije.

• 50-80% komponenata koje proizvođači ugrađuju u svoje proizvode se danas proizvode potiče iz neke druge kompanije

• Motivacija za globalizacijom sadrži: - smanjene troškove - najbolju moguću stručnost bez obzira na lokaciju

• Postavlja se pitanje kako sve držati u toku i ići napred

6.1. Menadžment životnog ciklusa proizvoda (PLM – Product Lifecycle Management)

U industriji , menadžment životnog ciklusa proizvoda je proces upravljanja celog životnog ciklusa proizvoda od njegovog začeća, do konstruisanja i proizvodnje, servisiranja i odlaganja. PLM povezuje ljude, podatke, procese i poslovne sisteme i daje informacije o proizvodu. PLM treba razlikovati od PLCM – Product Life Cycle Management. PLM se bavi inženjerskim aspektom proizvoda, dok se PLCM bavi komercijalnim menadžmentom životnog ciklusa proizvoda na poslovnom tržištu sa naglaskom na cenu i tržižnu vrednost.

Slika 6.1: Opšti životni ciklus proizvoda


Nedavno ICT razvoj je dozvolio širenje PLM-a izvan granica tradicionalnog PLM-a i integrisanje senzorskih podataka i “podatke o događajima iz životnog ciklusa” u realnom vremenu u PLM, kao i dozvoljavanje da ove informacije budu dostupne različitim učesnicima u totalnom životnom ciklusu individualnog proizvoda (zatvaranjem informacione petlje). Ovo je rezultiralo proširenjem PLM-a u CL2M – Closed Loop Lifecycle Management. Dobiti od PLM-a:

• Smanjeno vreme do izlaska na tržište • Poboljšan kvalitet proizvoda • Smanjeni troškovi prototipa • Sposobnost brzog identifikovanja potencijalnih prilika za prodaju • Uštede kroz ponovno korišćenje originalnih podataka • Okvir optimizacije proizvoda • Smanjen otpad • Uštede pomoću potpune integracije aktivnost svih inženjera

Oblasti PLM-a:

1. Sistemsko inženjerstvo (SE – Systems Engineering) 2. Menadžment proizvoda i portfelja (PPM – Product and Portfolio Management) 3. Dizajn proizvoda (Product Design) 4. Menadžment procesa proizvodnje (MPM – Manufacturing Process Management) 5. Menadžment podacima o proizvodu (PDM – Product Data Management)

Sistemsko inženjerstvo je fokusirano izlaženju u susret potrebama, pre svega izlazi u susret potrebama potrošača, i koordiniše proces Sistemskog dizajna uključivanjem svih relevantnih disciplina. Menadžment proizvoda i portfelja je fokusiran na upravljanje alokacija resursima, praćenje progresa planiranih projekata u razvoju novih proizvoda. Menadžment portfelja je alat koji pomaže menadžmentu u procesu praćenja progresa novog proizvoda i prodajnih odluka prilikom alociranja deficitarnih resursa. Menadžment podacima o proizvodu je fokusiran na dobavlajnje informacija o proizvodu i/ili servisima kroz njihovu fazu razvoja i tokom korisnog životnog veka. Uvod u proces razvoja Jezgro PLM-a je u pravljenju centralnog menadžmenta svih podataka o proizvodu i tehnologija korišćenih za pristup ovim informacijama i znanju. PLM je disciplina koja je proistekla iz alata kao što su CAD, CAM i PDM, ali se može posmatrati i kao integracija ovih alata sa metodama , ljudima i procesima kroz sve razvojne faze životnog veka proizvoda. Nije u pitanju samo softver i tehnologija već i poslovna strategija. Radi jednostavnosti faze koje su opisane prikazane su da diagramu na slici 6.2 Tačan redosled radnji će varirati u zavisnosti od industrije u kojoj se priozvod izrađuje ali galvni procesi su: - Začeće (Specifikacija, konceptualni dizajn) - Dizajn/konstrukcija (detaljni dizajn, validacija i analize – simulacija, dizajn alata) - Realizacija (plan proizvodnje, proizvodnja, sklapanje, testiranje-provera kvaliteta) - Servisi (prodaja i isporuka, korišćenje, održavanje i podrška, odlaganje) Realnost je ipak malom drugačija od ovoga, ljudi i odeljenja ne mogu da obavljaju zadatke u izolaciji, i jedna aktivnost se ne može jednostavno završiti i da nakon toga počne sledeća. Konstruisanje je iterativni proces, često se konstrukcija mora modifikovati zbog proizvodnih ograničenja i sukobljenih zahteva. Gde


se potrošačev zahtev tačno stavlja u ovoj vremenskoj liniji zavisi od tipa industrije, bilo da li su proizvodi na primer napravljeni po narudžbini, konstruisani po narudžbini ili sklopljeni po narudžbini. [1]

Slika 6.2: proces razvoja proizvoda

6.2. Menadžment podacima o proizvodu (PDM – Product Data Management) Menadžment podacima o proizvodu je poslovna funkcija često unutar PLM-a koji je odgovoran za pravljenje, menadžment i publikovanje podataka o proizvodu. PDM je korišćenje softvera ili drugih alata za praćenje i kontrolu podataka povezanih za određeni proizvod. Podaci koji se prate obično uključuju tehničke specifikacije o proizvodu, specifikacije za proizvodnju i razvoj, i tipove materijala koji će biti potrebni za proizvodnju dobara. Korišćenje PDM-a dozvoljava kompaniji da prati različite troškove povezane sa kreacijom i lansiranjem proizvoda na tržište. PDM je deo PLM-a i pre svega ga koriste inženjeri.

• Rukovođenje podacima o proizvodu i toku izrade proizvoda kroz ceo životni ciklus proizvoda • Ekstrakovanje traženih podataka idealno, bilo gde, na pogodan i jednostavan način • Delokrug sadrži:

- struktuiranje informacija o proizvodu iz širokog raspona izvora • Podrazumevajući CAD crteže, informacije o projektu, beleške i dokumente, specifikacije

testova i izveštaje o testiranjima, analize troškova, numeričke kontrolne programe, procedure održavanja, informacije o logističkoj podršci…

- Centralno skladištenje informacija o proizvodu - Centralno rukovođenje informacija o proizvodu - Dostupne informacije o proizvodu svakome kome su potrebne, bilo kad i bilo gde - Integracija sa drugim softverom


- Standardizovane i informacije podrške u procesima razmene - Standardizovani i podržani procesi promene u konstrukciji

Unutar PDM-a fokus je na upravljanju i praćenju kreacije, promeni i arhiviranju svih informacija vezanih za proizvod. Informacije koje su uskladištene (na jednom ili više fajl servera) sadrže i inženjerske podatke kao što su CAD modeli, crteži i ostali dokumenti koji su sa njima povezani. [1] PDM serveri su centralni magacini znanja vezani za procese i istoriju proizvoda, i promoteri integracije i razmene podataka između poslovnih korisnika koji imaju kontakta sa proizvodima – uključujući i menađere projekata, inženjere, prodavce, kupce, i timove za osiguranje kvaliteta. Centralna baza podataka će takođe rukovati metapodacima kao što su vlasnik fajla i starus odobrenja komponenata. Paket će čekirati: ulaz i izlaz podataka o proizvodu, rukovoditi inženjerskim promenama i davati podatke o svim verzijama i karakteristikama vezano za proizvod, manipulisati sa struktorom matreijala proizvoda, i pomagati u konfiguracionom menadžmentu varijanata proizvoda. Ovo omogućava dobijanje automatskih izveštaja o ceni proizvoda, itd. Osim toga, PDM omogućava kompanijama da proizvode kompleksne proizvode. PDM je fokusiran na dobijanju i održavanju informacija vezanih za proizvod i/ili servise kroz ceo razvojni ciklus i korisni životni vek proizvoda. Tipične informacije koje se obrađuju uz pomoć PDM modula su:

• Broj dela • Oris dela • Dobavljač/isporučilac • Broj dela isporučioca i opis • Jedinica mere • Troškovi/cena • Šeme CAD crteža • Podaci o proizvodu

Prednosti PDM-a:

• Praćenje i rukovođenje svim podacima vezanim za proizvod • Skraćenje vremena povratka investicije jednostavnim merama • Manji utrošak vremena na organizovanje i praćenje podataka o konstrukciji • Poboljšana produktivnost kroz ponovno korišćenje podataka o proizvodu • Ojačana kolaboracija

PDM polazi od tradicionalnih inženjerskih aktivnosti koje kreiraju crteže proizvoda i šeme na papiru uz pomoć CAD alata da bi kreirao listu delova (Bills of Material structures – BOM). PDM i BOM podaci se koriste u sistemima za planiranje resursa u preduzeću (ERP – Enterprise Resource Planning), kako bi se planirale i koordinisale transsekcionalne operacije u kompaniji (rukovođenje prodajom, kupovina, procena troškova, logistika…). PDM je podgrupa većeg koncepta PLM-a. PLM obuhvata potrebne procese za lansiranje novih proizvoda, rukovodi promenama postojećih proizvoda (ECN/ECO) i povlači proizvode na kraju njuhovog upotrebnog veka. Oblast PDM-a i ERP-a ERP sistemi se fokusiraju na odnose između, i potrebama za. Komponente koje su neophodne za proizvodnju proizvoda kao i njihove druge organizacione sposobnosti kao što su rukovođenje potrebnim nabavkama, računovodstvo i funkcije ljudskih resursa. [7]


7. SIMULACIJA U RAZVOJU PROIZVODA

Simulacija je imitacija neke stvarne stvari, stanaja stvari ili procesa. Prilikom simulacije predstavljene su neke ključne osobine ili ponašanja selektovanog fizičkog ili abstraktnog sistema. Simulacija se koristi u mnogim konceptima, kao što su simulacija tehnologije radi optimizacije performansi, sigurnosti, testiranja, treniranja, edukacije i video igara. Trenažni simulatori se takođe koriste za simulaciju letova kako bi se pilotima pružilo iskustvo slično stvarnom. Simulacije se takođe koriste u naučnom modeliranju i ispitivanju prirodnih sistema ili sistema napravljenih od strane čoveka kako bi se stekao uvid o njihovom funkcionisanju.[8] Simulacija se može koristiti za analiziranje realnih efekata u alternativnim uslovima i drugačijim spletovima okolnosti. Simulacija se takođe koristi kada se realni sistem ne može pokrenuti, iz razloga nedostupnosti, ili možda zato što bi njegovo poštanje u pogon bilo opasno, ili možda zato što još uvek nije konstruisan ili jednostavno ne postoji. [9] Istorijski gledano, simulacije su korišćene u različitim poljima, i u njima uglavnom razvijala nezavisno, ali u 20-tom veku izučavanja teorije sistema i Kibernetike kombinovano sa sve većom upotrebom kompjutera u svim tim poljima dovodi do unifikacije i sistematičnijeg gledanja na koncept simulacije. Fizička simulacija se odnosi na simulaciju u kojoj fizički objekti zamenjeni sa stvarnim objektom koji se želi proučiti. Ovi fizički objekti su najčešće izabrani zato što su manji i jeftiniji od aktuelnog objekta u sistemu. Interaktivna simulacija je specijalna vrsta fizičke simulacije, u kojoj su u fizičkoj simulaciji uključene i ljudske radnje, kao što su simulator letenja ili vožnje, to se ponekad zove i sintetička okolina. Kompjuterska simulacija je pokušaj da se modeluje hipotetička situacija iz stvarnog života na računaru, kako bi mogla biti proučavana. Menjanjem promenljivih, dobijaju se predviđanja o ponašanju sistema. Kompjuterska simulacija je postala korisni deo modeliranja mnogih prirodnih sistema u fizici, hemiji i biologiji, modelovanja ekonomskog sistema i socialnih nauka, kao i u inženjerstvu. Tradicionalno, formalno modeliranje sistema je bilo uz pomoć matematičkih modela, koji pokušavaju da pronađu analitičko rešenje koje će predvideti ponašanje sistema iz niza parametara i početnih uslova. Kompjuterska simulacija se najčešće koristi kao dodatak, ili zamena, prilikom modeliranja sistema kod kojih nije moguće dobiti jednostavna analitička rešenja. Postoje mnogo različitih tipova kompjuterskih simulacija, zajednička karakteristika im je pokušaj da naprave reprezentativni scenario za modele koji obuhvata sva moguća i nemoguća stanja. Postoje nekoliko softverskih paketa koji omogućavaju računarsko modeliranje, oni se uglavnom zasnivaju na Monte Carlo simulaciji, stohastičkim modelima, multimetodskom modelovanju. Simulirana realnost je predlog da realnost može biti simulirana – obično uz pomoć kompjuterske simulacije – do nivoa kada se više ne razlikuje od istinske stvarnosti. Takože može sadržati i svestne umove koji mogu a i ne moraju biti svestni da žive unutar simulacije. Ovo jeste znatno drugačije, od trenutno tehnoliški dostupnog koncepta virtuelne realnosti. Virtuelna realnost se trenutno vrlo lako može prepoznati i razlikovati od stvarnosti, učesnici nikad ne sumnjaju u prirodu njihovog iskustva. Nasuprot tome simuliranu realnost bi bilo nemoguće razlikovati od istinske realnosti. Postoje naravno dosta debata što se tiču ove teme, idući od filozofskih do praktičnih aplikacija u računarstvu.[10]


7.1. Uobičajena korisnička interakcija, sistemi za virtuelno simuliranje Virtuelno simuliranje predstavlja specifičnu kategoriju simuliranja koje koristi simulacionu opremu kako bi stvorilo virtuelni svet korisniku. Virtuelno simuliranje dozvoljava korisniku interakciju sa virtuelnim svetom. Virtuelni svetovi postoje zahvaljujući integrisanim hardverskim i softverskim komponentama. U ovom smislu sistem može prihvatiti ulaz od korisnika (praćenje tela, perpoznavanje zvuka/glasa, fizički kontroleri) i proizvesti izlaz korisniku (vizuelni prikaz, zvučni prikaz, hepatički prikaz). [11] Ulazni hardver za virtuelnu simulaciju Praćenje tela. Metod za snimanje pokreta se često koristi za praćenje korisnikovih pokreta i prevođenje tih pokreta u ulazne podatke za virtuelnu simulaciju. Na primer ako korisnik fizički okrene glavu, taj pokret će biti zabeležen od strane simulacionog hardvera i biti preveden u odgovarajuću promenu unutar simulacije.

• Odela za praćenje pokreta ili rukavice za praćenje pokreta se mogu koristiti za praćenje pokreta delova tela. Sistem može imati senzore koji su ugrađeni unutar njih kako bi osetio pokrete različitih delova tela (npr. prstiju). Alternativno, ovi sistemi mogu imati spoljne uređaje za praćenje ili markere koji mogu biti detektovani uz pomoć spoljnjeg ultrazvučnog uređaja, optičkih risivera ili elektromagnetnih senzora.

• Senzori za praćenje pokreta očiju se takođe koriste tako da sistem može precizno odrediti gde gleda korisnik u bilo kom trenutku.

Fizički kontroleri. Omogućavaju unos podataka u simulaciju samo preko direktne manipulacije korisnika. U vitalnim simulacijama, taktilna povratna informacija od strane ovih uređaja korisniku je izuzetno poželjna u većem broju simulacionih okruženja.

• Instrumentacija visoke vernosti prikaza kao što su instrumentacioni paneli u virtuelnom kokpitu aviona pružaju korisniku uvid u kontrole realnog aviona kako bi se podigao nivo uranjanja.

Zvučno/glasovno prepoznavanje. Ova forma interakcije se može koristiti bilo za interakciju sa agentima unutar simulacije (virtuelnim ljudima) ili radi manipulisanja sa objektima unutar simulacije (informacijama). Prepoznavanje glasa povećava nivo uranjanja korisnika u simulaciju.

• Korisnici mogu koristiti hedsetove sa mikrofonima, mogu imati džepne mikrofone ili soba može biti opremljena sa mikrofonima koji su postavljeni na strateška mesta.

Trenutno istraživanje na daljem razvoju ulaznih korisničkih sistema. Istraživanje budućih ulaznih uređaja dosta obećava u virtuelnom simuliranju. Sistemi kao što su moždano-kompjuterski interfejsi (Brain-Computer Interface – BCI). BCI sistemi pružaju mogućnost za dalje povećanje nivoa uranjanja korisnika u virtuelni svet. Istraživanja su pokazala da korisnici sa vrlo malo pripreme mogu dosta dobro da se kreću u virtuelnom svetu uz pomoć BCI uređaja. Vrlo je verovatno da će ovakva vrsta sistema postati standardni ulazni uređaj u budućim virtuelnim simulacijama. Izlazni hardver za virtuelnu simulaciju Vizuelni displeji. Vizuelni displeji pružaju vizuelni stimulans korisniku

• Stacionarni displeji mogu varirati od konvencionalnog desktop displeja, većeg broja displeja postavljenih u krugu do 360° ili lučnih displeja, i stereoskopskih 3D displeja. Okruženje sa većim brojem displeja ponekad se naziva i CAVE (pećina) - Cave Automatic Virtual Environment. 3D displeji proizvode 3D slike bilo sa ili bez specialnih naočara, zavisno od dizajna.


• HMD - Head Mounted Didplays – displeji vezani za glavu. Ovi sistemi su direktno povezani sa virtuelnom simulacijom i korisniku pružaju još impresivniji osećaj uranjanja u virtuelni svet. Negativna strana je što stvaraju zamor posle dužeg vremena, i ukoliko je brzina reagovanja i osvežavanja manja sistem će reagovati sa zakašnjenjem na korisnikove reakcije pomeranja glave. Zakasnelo reagovanje sistema može izazvati mučninu i oslabiti osećaj uranjanja.

Zvučni prikaz. Postoje nekoliko različitih tipova audio sistema koji mogu pomoći korisniku da čuje i lokalizuje izvor zvuka. Moguće je korišćenje specialnog softvera koji će prizvesti 3D audio efekte, i stvoriti iluziju da su zvučni izvori raspoređeni na različitim mestima u prostoru oko korisnika.

• Stacionarni konvencionalni zvučni sistemi mogu biti korišćeni radi ostvarivanja stereo ili multikanalnog zvuka. Ali ipak, eksterni zvučnici nisu dovoljno dobri u proizvodnji 3D efekata kao slušalice.[11]

• Konvencionalne slušalice pružaju prenosnu alternativu stacionarnim zvučnicima. One takođe imaju prednost jer prigušuju zvukove iz spoljnjeg sveta, i stvaraju bolji osećaj 3D zvuka.[11]

Hepatički displeji. Ovi displeji pružaju korisniku osećaj dodira.

• Taktilni displeji koriste različite tipove akutatora ventilatori, vibratori, subvuferi niskih frekvencija ili termoakutatori kako bi proizveli odgovarajući osećaj kod korisnika.

• Efektorski uređaji mogu reagovati prilikom korisnikovog korišćenja uz pomoć sile ili otpora. [11] Ovakvi sistemi se često koriste u medicinskim aplikacijama za udaljene operacije kod kojih se koriste robotički sistemi.[12]

Vestibularni sistemi. Ovi sistemi pružaju osećaj kretanja u simulatoru. Oni se najčešće koriste kod simulacije kretanja u vozilu, leta u avionu

7.2. Simulacija i proizvodnja Proizvodnja predstavlja jednu od najvažnijih aplikacija u simulaciji. Ova tehnika predstavlja važan alat korišćen od strane inženjera kada se ocenjuje efekat kapitalnih investicija u opremi i fizičkim odeljenjima kao što su fabrike, skladišta, i distributivni centri. Simulacija se može koristiti radi predvižanja performansi postojećeg ili planiranog sistema i poreženja alternativnih rešenja za odreženi konstrukcioni problem.[13] Drugi važan cilj proizvodnih simulacija je kvantifikovanje performansi sistema. Zajedničke mere efikasnosti sistema sastoje se u sledećem:[14]

• Ocenjivanje proizvodnosti prilikom prosečnih i maksimalnih opterećenja • Vreme potrebno za proizvodnju jednog dela • Utilizacija resursa, rada i mašina • Pronalaženje uskih grla • Čekanja na radnim mestima • Zahtevi za stručnim osobljem • Efektivnost u zakazivanju sistema • Efektivnost u kontrolnim sistemima


Slika 7.1: Razlozi za simulaciju u proizvodnji

Slika 7.2: Mesto simulacije u razvoju proizvoda [1]

7.3. Digitalna simulacija životnog ciklusa Simulaciona rešenja se sve više integrišu sa CAx (CAD, CAM, CAE.. ) alatima i procesima. Korišćenje simulacile životnog ciklusa proizvoda, naročito u ranim fazama koncepta i konstrukcionim fazama, ima potencijal da obezbedi značajne benificije. Ove benificije idu od smanjenja direktnih troškova kao što su smanjenje broja prototipova i skraćenje vremena do lansiranja proizvoda na tržište, pa do boljih performansa proizvoda. [1]


Slika 7.3: Virtuelni proizvod

Uspešna upotreba simulacije, u ranim fazama razvoja je velikim delom zavisna od povećane integracije simulacionih alata u celom CAD, CAM, i PLM paketa. Simulaciona rešenja sada mogu da funkcionišu kroz prošireni sistem multi-CAD alata, i sadrže rešenja za menadžment simulacionih podataka i procesa osiguravajući da se rezultati simulacije u skladu sa životnim ciklusom proizvoda. Simulacija je veoma važna u inženjerskim sistemima ili bilo koji drugim sistemima koji u sebi uključuju dosta procesa. Mnoge inženjerske simulacije koriste matematičke modele i računarsko podržano ispitivanje. Postoje mnogo slučajeva u kojima matematičko modeliranje nije pouzdano. Simulacija problema u dinamici fluida često zahteva oba, i matematičko i fizičko simuliranje. U ovom slučaju fizički modeli zahtevaju dinamičko uporeživanje. Fizičke i hemijske simulacije takože imaju direktne realistične primene, drugačije od istraživačke namene; u hemijskom inženjerstvu, na primer simulacije procesa se koriste za dobijanje parametara procesa koji se odmah direktno koriste za rad hemijskih postrojenja kao što su rafinerije nafte. Generalna pitanja prilikom simulacije u razvoju proizvoda:

• Šta treba simulirati i kako • Kada treba uraditi simulaciju

prilikom razvoja proizvoda • Kako transferovati podatke od CAD

modela u simulacione modele? • Kako napraviti i održavati efektivnu

komunikaciju između konstruktora i analitičara?

Slika 7.4: Povezanost konstruisanja i simulacije prilikom

razvoja proizvoda


Slika 7.5: Primer procesa konstruisanja i analize [1]

Metodama analize se u fazi projektovanja mašina i opreme traže odgovori o njihovim svojstvima otpornosti, pouzdanosti, nosivosti, kinematskom ponašanju, dinamičkom odgovoru. U domenu nosećih struktura, postavljaju se i rešavaju njihovi matematički modeli proračuna. Skup svih zahvata traženja odgovora o svojstvima bazi fizičke forme, postavljaju se uprošćeni mehanički modeli. Za te uprošćene mehaničke modele postavljaju složenog sistema - strukture, predstavlja strukturnu analizu. Na bazi kriterijuma koje struktura mora da zadovolji u pogledu mehaničkih i funkcionalnih karakteristika, analizom se ocenjuje posmatrana struktura i traže njeni nedostaci. Očigledno, metode analize usavršavaju strukturu po sistemu "korak po korak" i one kao takve i danas zadovoljavaju konstruktorske zahteve.

Velika promena

Velika promena

Mapiranje

Inženjer Konstruktor Analitičar

Konceptualni funkcionalni

dizajn

Akcija transformacije:

Funkcija- u-formu

Konceptualna prostorna

konstrukcija

Preliminarna konstrukcija

Promene u konstrukciji

Detaljna konstrukcija

Promene u konstrukciji

Konačna konstrukcija

Manja promena

Manja promena

Mapiranje

Idealizacija

Mapiranje

Idealizacija

Evaluacija

Detaljna analiza

Evaluacija

Preliminarna analiza

Zadovoljavajuće

Nezadovo-ljavajuće

Zadovoljavajuće

Nezadovo-ljavajuće


Metode sinteze su mnogo pogodnije za funkcionalne i geometrijske kreacije. One direktno daju rešenje strukture ali zahtevaju najsavremeniji pristup, korišćenje ekspertnih znanja i efikasnih računarskih sredstava. Primena matričnih metoda za analizu struktura, rešila je zahteve sistematskog predstavljanja kontinuuma, uvodjenja polja spoljašnjih koncentrisanih sila, polja površinskih opterećenja kakva se javljaju kod brodskih struktura, aviostruktura, struktura vozila i polja temperatura svojstvena za raketne konstrukcije, toplotne turbine i nuklearne reaktore. Pogodnost matričnih metoda analize pokazala se kod rešavanja zadataka plastičnosti, puzanja i ojačanja elemenata, kao i kod uvođenja istorije prethodnog opterećenja strukture.

Slika 7.6: Generalni proces simulacije

Definicija termina: Simulacija – konstrukcija matematičkog modela radi reprodukcije karakteristika fenomena, sistema ili procesa, uz pomoć računara radi donošenja zaključka i rešavanja problema Validacija – dokaz, koji model daje na osnovu rezultata ili daokaz da je sistem efektivno reprezentovan Verifikacija – potvrda ispravnosti modela ili rezultata uz pomoć inspekcije Važan elemenat primene metoda analize, je brzina izvođenja procedura, čime se u ranom periodu razvoja strukture, identifikuju posmatrane (prognozirane) osobine. Shodno tome, vrši se korekcija do postizanja zadovoljavajućih osobina. Dovoljnim brzinom analiza, moguće je istovremeno razvijati više konstruktivnih varijanti i odabrati najpovoljnije rešenje. Ideja analize dakle, govori da se nizom iteracija dolazi do rešenja. Taj opšti koncept definisan je na slici 7.6. Prema ovom konceptu, na bazi postavljenih ciljeva, formiraju se kriterijumi za ocenu svojstava strukture. Pri tome je iskustvo osnovna sprega izvedenih strukture i očekivanih osobina traženog rešenja. Sama analiza (prikazana zatamnjenim poljima), izvodi se izabranom teorijskom metodom. Na osnovu dobijenih rešenja ocenjuje se polazno predpostavljeno rešenje. Ocena dobijenih osobina vodi modifikaciji strukture delimično ili u celosti. Nakon korekcije, obnavlja se procedura analize modela i analize osobina, dok postavljeni ciljevi ne budu dostignuti.


Slika 7.7. Koncept korišćenja metoda analize u projektovanju

Metode strukturne analize, dele se na analitičke i numeričke. Primena analitičkih metoda je ograničena na jednostavne slučajeve za koje je moguće naći rešenje u zatvorenom obliku. Rešenja se kod analitičkih metoda traže preko redova ili specijalnih funkcija. Realne strukture se u praksi tretiraju numeričkim metodama i one se mogu odnositi na kontinualne i diskretne sisteme. Slika 7.8 pokazuje klasifikaciju danas aktuelnih numeričkih metoda strukturne analize. [15]

Slika 7.8. Pregled numeričkih metoda za analizu struktura

1. METODA KONAČNIH RAZLIKA je numerička metoda pogodna za rešavanje raznovrsnih zadataka. Bazira se na matematičkoj diskretizaciji diferencijalnih jednačina prevođenjem na jednačine sa konačnim razlikama. Uspešno se može primeniti na tankozidim nosačima, na problemima plastično deformabilnih konstrukcija. Efikasnost metode se smanjuje sa složenošću unutrašnjih veza posmatranog mehaničkog sistema.

2. METODA NUMERIČKOG INTEGRISANJA DIFERENCIJALNIH JEDNAČINA se koristi široko u mnogim zadacima. Metoda se svodi na rešavanje zadatka Cauchy-ja s obzirom na postojanje dobrih matematičkih procedura za integraciju sistema diferencijalnih jednačina. Za rešavanje se dosta dobro mogu upotrebiti metoda Euler-a, metoda Runge-Kutta i druge.

3. METODA KONAČNIH ELEMENATA - (Finite Element Method - FEM), koristi različite tipove varijacionih metoda, primenjenih na diskretnom modelu za strukturnu analizu kontinuuma.


Kontinuum se diskretizuje konačnim brojem elemenata i stepeni slobode kretanja. Uspeh primene metode je u kvalitetu izabranih aproksimacija konačnih elemenata postavljenog modela. Pogodnost metode je u vrednostima varijacione metode. Zadatak se opisuje sistemom diferencijalnih jednačina koje se formiraju iz uslova minimuma funkcionala konstrukcije. Ovaj zadatak je rutinski, a rešavanje sistema diferencijalnih jednačina ide matričnim metodama, vrlo pogodnim za tretman računarom. Tačnost izračunavanja je definisana kvalitetom izabranih funkcija oblika (interpolacionih funkcija), mrežom i tipom konačnih elemenata. Zavisno od izabranih nezavisno-promenljivih veličina i načina formiranja jednačina, postoje četiri osnovne metode: metoda pomeranja (metoda deformacija), metoda sila, mešovita i hibridna metoda

4. METODA GRANIČNIH ELEMENATA je specifična metoda prelaza iz sistema parcijalnih diferencijalnih jednačina i zadatih graničnih uslova ka njihovoj integralnoj analogiji na granici oblasti koju posmatramo. Postupak se sastoji u diskretizovanju granične oblasti strukture graničnim elementima, primenom različitih vrsta aproksimacija geometrije granica i graničnih funkcija. Iz integralnih odnosa, diskretnom analogijom, formira se sistem algebarskih jednačina. Rešavanjem sistema dolazi se do traženih veličina na granicama oblasti.

5. SLO@ENE METODE PRORAČUNA STRUKTURA. Inženjerski zahtevi proračuna složenih struktura, uslovili su razvoj metode konačnih elemenata. Naime, pokazalo se daje moguće grupisanje elemenata u velike makro-eiemente da bi se analizirale osobine na njihovim granicama. Ova metoda poznata je kao METODA SUPER-ELEMENATA (MSE). Metoda se koristi naročito u aviogradnji, brodogradnji gde super-elementi predstavljaju sekcije struktura koje se ponavljaju. Prednost metode je što isključuje unutrašnje nezavisno - promenljive, pa preostaju samo nepoznate na granicama superelemenata. Na ovaj način je značajno smanjen računski obim problema te je realizacija brža i uspešnija. Pri tome se formiraju algebarski sistemi koji se rešavaju metodama Gauss-a., Holeckog, Crout-a, frontalnom metodom i drugim iteracionim metodama. [15]

7.4. Uvod u metodu konačnih elemenata

Koncept metode konačnih elemenata (MKE) je zasnovan na diskretizaciji kontinuuma konstrukcije jednostavnim delovima konačnih dimenzija. Nad tim delovima - konačnim elementima, metodama i principima fizike uspostavljaju se osnove statičke, kinematičke, dinamičke i termodinamičke veze, koje se proširuju do granica kontinuuma. Koristeći neki od osnovnih principa mehanike, formira se sistem diferencijalnih jednačina (običnih, parcijalnih ili integralnih). Nepoznati parametri koji se kod nosećih struktura traže su kinematičke veličine - pomeranja, statičke veličine - unutrašnje sile ili mešovite veličine (pomeranja i unutrašnje sile istovremeno). Osim ovih dveju metoda koristi se metoda reziduma (tamo gde je teško definisati potencijal) i metoda energetskog bilansa kod zadataka koji tretiraju različite tipove energija (mehaničku, toplotnu, elektromagnetnu). Za ove diferencijalne jenačine, traži se rešenje, najčešće približno. Pretpostavljene forme rešenja omogućavaju prelazak sa diferencijalnih jednačina na algebarske jednačine. Rešenja tih jednačina su pomeranja, unutrašnje sile ili dinamički odgovor konstrukcije. Pojedine etape traženja rešenja, zasnivaju se na matričnoj algebri i numeričkoj analizi koje se realizuju matematičkim metodama naročito pogodnim za računar. [15] Koncept metode je definisao 1941. Hrenikoff. Godine 1956. istraživači Claugh, Martin, Turner i Torr računarom su rešili zadatak ravanskog naponskog stanja krila aviona "BOEING", primenom trougaonih konačnih elemenata. Tada je na predlog američkog istraživača Claugh-a definisano današnje ime metode: "the finite element method", skraćeno FEM. Značajan doprinos širenju ideja i koncepta metode imala je štampa prve monografije autora Zienkiewicz-a i Cheng-a 1970. Sedamdesetih godina istraživač Oden značajno uopštava metodu, uvodeći u nju trodimenzionalnost, nelinearnost, dinamiku struktura, talasno prostiranje, uticaj fluida i optimalnost struktura. Prava, široka primena metode počela je razvojem računarske tehnike i pojavom komercijalnih softverskih paketa. Prvi komercijalni programski paketi bili su: NASTRAN (program NASE), SESAM -(Super Eiement Stntctuial Antdysis Modulus - Norveška), SAP (Structural Analysis Program-USA). [15]


Slika 7.9: Modeliranje uz pomoć konačnih elemenata

Postupak izbora konačnih elemenata Analiza metodom konačnih elemenata zahteva fizičku diskretizaciju konstrukcije i izbor konačnih elemenata koji adekvatno opisuju njeno ponašanje pri spoljačnjem uticaju. Raznovrsnost uticaja i geometriji struktura, uslovila je brojnost vrsta i podvrsta konačnih elemenata. Osnovna razlika među njima ogleda se u različitosti "unutrašnjih" funkcija. Te "unutrašnje" funkcije, funkcije oblika (shape fumction), opisuju polje pomeranja u elementu i određuju aproksimacije kontinuuma u metodi konačnih elemenata. Izbor konačnog elementa osim topologije podrazumeva izbor interpolacione funkcije i direktno određuje tačnost metode. Osnovni tipovi konačnih elemenata su odredjeni prostorom koji koriste. Jednodimenzioni konačni elementi su zatege, štapovi, grede, užadni elementi, granični elementi, cevni elementi. Granični elementi su kategorija koja služi za formiranje veza na granicama kontinuma, koja matematičkom modelu definiše neki uslov. U ovu podgrupu spadaju elementi: opruge, zazori (gap), veze (link), stepeni slobode (DOF) i drugi. Dvodimenzioni konačni elementi definišu napone i deformacije ravanskog kontinuuma, pa shodno tim vrstama osnovni elementi su membrana, ploča, ljuska. Trodimenzioni konačni elementi su prizmatični i osnosimetrični. U ovu grupu spadaju i debela ploča i debela ljuska, prizma, piramida, osnosimetrični elementi i 3D konačni elementi sa ortotropnim osobinama kao što su slojevite forme. [15] Konačne elemente je moguće klasifikovati i prema familiji - grupaciji (ljuska, ploča, greda), prema redu interpolacionih funkcija (linearan, paraboličan, kubni), geometriji (trougaoni, četvorougaoni), prema fizičkim osobinama (tanka ljuska, debela ljuska) i prema materijalnim svojstvima (izotropan, anizotropan). Izbor konačnog elementa za modeliranje, zavisi od geometrijske forme posmatranog kontinuuma i procene unutrašnje distribucije sila i deformacija. Geometrijska forma je zadata konceptom konstrukcije i sadržana je na projektnoj dokumentaciji. Forme dugačkih članova (malih dimenzija poprečnog preseka u odnosu na dužinu) zamenjuju se jednodimenzionim konačnim elementima. Ravne površine zidova, pregrada, dijafragmi, lamela nosača, zamenjuju se dvodimenzionim konačnim elementima (obično za analizu napona). Tamo gde se javljaju koncentrisana lokalna naprezanja usled geometrijske složenosti, koriste se trodimenzioni konačni elementi. Njima se obično opisuju kompaktne geometrije kao što su


kotrljajući delovi ležajeva, lopatice rotacionih kola turbomašina, glavčine rotacionih elemenata, zupčanici, lančanici, kućišta motora SUS, kućišta klipnih mašina, složeni elementi (kolenasta vratila, helikoidni zupčanici) i drugo. [15] Proces simulacije uz pomoć metode konačnih elemenata Analiza metodom konačnih elemenata se obično sastoji od tri koraka podržanih od strane različitih alata: - predprocesiranje: generisanje simulacionih modela iz geometrije (CAD) - rešavanje: izračunavanje željenog ponašanja - postprocesiranje: vizuelizacija i izveštaj

Slika 7.10: Proces simulacije metodom konačnih elemenata

Predprocesiranje skoro uvek zahteva modeliranje od strane čoveka i proveru. Rešavanje i postprocesiranje su automatizovani [1]

• Predprocesiranje u FEA metodi: 1. Kreiranje geometrije (ako je geometrija kreirana iz CAD modela onda njeno uprošćavanje) 2. Generisanje mreže (može biti automatsko) 3. Izbor materijala 4. Definisanje opterećenja 5. Definisanje graničnih uslova (oslonci, veze i stepeni slobode kretanja) 6. Dodela parametara analize (linearni-statični, maksimalno vreme…) 7. Verifikacija modela

Slika 7.11: Predprocesiranje kod metode konačnih elemenata


• Rešavanje u FEA metodi

1. Desinisanje matrica krutosti elemenata

2. Sastavljanje globalne matrice krutosti

3. Dodeljivanje graničnih uslova vezanom modelu

4. Generisanje vektora opterećenja 5. Rešavanje pomeranja 𝒖:

[𝑲]𝒖 = 𝒇 gde je: [𝑲] = matrica krutosti 𝒖 = vektor pomeranja čvorova 𝒇 = vektor opterećenja

6. Izračunavanje sila i naprezanja u elementima

Slika 7.13: Primer FEA koncepta: a) parametarski model, b) mrežni model, c) simulacioni model sa

definisanim materijalom, opterećenjima i graničnim uslovima

Slika 7.12: Definisanje matrica i rešavanje kod FEA [1]


7.5. Maketa i prototip

• Maketa:

- U inženjerstvu – skalirani model, najčešće u punoj veličini, strukture, aparature ili vozila - Koristi se za proučavanje, treniranje, ili testiranje i radi procene da li se aparatura može proisvesti lako i ekonomično

• Prototip - U inženjerstvu – model pune veličine strukture ili dela opreme, korišćen za evaluaciju konstrukcije, pogodnosti i performansi - Rana originalna forma

• U svakodnevnom jeziku: - termini “prototip” i “maketa” se često koriste jedan umesto drugog - Oni oba uključuju ili skalirani ili model u punoj veličini strukture ili aparature korišćene za testiranje i evaluaciju

• Različite industrije i kompanije imaju svoje tumačenje ovih termina.

7.6. Digitalna maketa (DMU – Digital Mock-Up) i Virtuelni prototip (VP – Virtual Prototype)

Digitalna maketa je koncept koji dozvoljava opis proizvoda, obično u 3D, za njegov ceo životni ciklus. DMU je obogaćen svim aktivnostima koje doprinose opisu proizvoda. Konstrukcioni inženjeri, proizvodni inženjeri i inženjeri za podršku rade zajedno da naprave DMU. Jedan od uslova je imati neophodno znanje budućeg proizvoda kako bi se zamenili svi fizički prototipovi sa virtuelnim, korišćenjem 3D kompjuterske grafike. Kao dopuna to se takođe često naziva i digitalni ili virtuelni prototip. Ove dve definicije odnose se na proizvodnju fizičkog prototipa, ali su deo DMU koncepta. DMU omogućava inženjerima da konstruišu kompleksne proizvode i verifikuju njihovu konstrukciju bez da ikada naprave fizički model. DMU omogućava lakše proučavanje sklopova, mugućih sukoba delova u sklopu, analizu tolerancija, simulaciju ponašanja i funkcije, ergonomsku simulaciju. [1] Među tehnikama ili tehnologijama koje ovo omogućavaju su i :

• Direktan interfejs između DMU i PDM sistema. • Aktivna DMU tehnologija koja ujedinjuje sposobnost prikaza sklopa makete sa sposobnošću

merenja, analize, simulacije, dizajna i redizajna. [16] Ciljevi DMU:

• Smanjeno vreme potrebno za lansiranje proizvoda na tržište zahvaljujući identifikovanju potencijalnih problema u konstrukcionom procesu.

• Smanjeni troškovi razvoja proizvoda minimiziranjem broja fizičkih prototipova koji treba da se naprave

• Povećan kvalitet proizvoda dozvoljavanjem većem broju konstrukcionih alternativa da budu ispitane pre nego što bude izabrana konačna. [16]


Pravljenje virtuelnog prototipa je tehnika u procesu razvoja proizvoda. Ovo uključuje upotrebu CAD i CAE softvera kako bi se verifikovana konstrukcija pre odluke da se napravi fizički prototip. Ovo se radi kreiranjem računarskih 3D delova i njhovim sklapanjem u sklopove i testiranjem različitih mehaničkih kretanja, spojeva i funkcija ili čisto estetskog izgleda. Sklop ili individualni delovi se mogu simulirati u CAE softveru kako bi se videlo ponašanje proizvoda u stvarnom svetu. Proces razvoja i konstruisanja proizvoda su se ranije uglavnom oslanjali na iskustvo i procenu inženjera u proizvodnji inicijalnog konstrukcionog koncepta. Fizički prototip bi onda bio napravljen i testiran kako bi se ocenile performanse. Bez ikakvog načina da se ocene performanse unapred, inicijalni prototip je retko kad zadovoljavao očekivanja. Inženjeri su obično morali da redizajniraju inicijalni koncept više puta kako bi uklonili slabosti koje su uočene prilikom fizičkog testiranja. Danas su proizvođači pod pritiskom da smanje vreme potrebno za razvoj proizvoda i njegovo lansiranje na tržište i da povećaju nivo performansi i pouzdanosti. Mnogo veći broj proizvoda se razvija u formi virtuelnih prototipova u kojima se koristi softver za inženjersku simulaciju radi predviđanja performansi pre pravljenja fizičkog prototipa. Inženjeri mogu brzo da prouče performanse na hiljade konstruktorskih alternativa bez utroška vremena i novca potrebnog za pravljenje fizičkih prototipoba. Mogućnost istraživanja širokog raspona konstrukcionih alternativa dovodi do poboljšanja u performansama i kvalitetu. Takođe je značajno smanjeno vreme potrebno da se proizvod lansira na tržište, jer je vreme potrebno za izradu virtuelnih prototipova značajno manje nego li fizičkih prototipova. [17][18][19][20]


8. RP – RAPID PROTOTYPING

Rapid Prototyping (brza izrada prototipova) je automatska konstrukcija fizičkih objekata korišćenjem proizvodne tehnologije dodavanja primesa. Prve tehnike za RP postale su dostupne kasnih 1980-tih, i korišćene su za proizvodnju modela i prototipova. Danas se koriste u mnogo širem opsegu aplikacija a čak se i koriste za proizvodnju delova proizvodnog kvaliteta u relativno malom broju. Neki skulptori ih koriste za proizvodnju složenih delova na umetničkim egzebicijama. [21] Korišćenje tehnologije proizvodnje dodavanjem primesa omogućava da se virtuelni modeli iz CAD-a ili softvera za animaciju, transformišu u tanke slojeve, a zatim se sukcesivnim slaganjem tih slojeva dobije kompletan model. Tim procesom se dobija fizički model koji je skoro potpuno indentičan virtuelnom modelu. Sa proizvodnom tehnologijom dodavanja primesa, mašina čita podatke iz CAD crteža i pravi sukcesivne slojeve tečnosti, praha ili slojevitog materijala, i na ovaj načim pravi model iz serije sukcesivnih slojeva (slika 8.1). Ovi slojevi koji odgovaraju virtuelnom preseku iz CAD modela, spajaju se zajedno kako bi napravili konačan oblik. Primarna prednost aditivne fabrikacije je njena sposobnost pravljenja skoro bilo kog geometrijskog oblika. Standardni data interfejs između CAD softvera i mašine je STL format fajla. STL aproksimira oblik dela ili sklopa korišćenjem trougaonih faseta. Manje fasete daju površine modela višeg kvaliteta.

Slika 8.1: Proces 3D štampe Reč “rapid – brzo” je relativna: konstrukcija modela ovakvim aditivnim metodama može trajati od nekoliko sati do nekoliko dana, zavisno od metode koja se koristi i veličine i složenosti modela. Aditivni sistemi za RP mogu obično da napravo modele za nekoliko sati, mada to može znatno varirati u zavisnosti od mašine koja se koristi i veličine i brija modela koji se proizvode simultano. [21]


Neke tehnike fabrikacije koriste dve vrste materijala prilikom pravljenja delova. Prvi materijal je glavni materijal od koga se deo sastoji dok je drugi materijal pomoćni materijal koji služi radi efikasnijeg pravljenja naglih izbočina na delu. Pomoćni materijal se kasnije uklanja uz pomoć toplote ili se rastvara uz pomoć rastvarača u vodi. Tradiciomalno livenje ubrizgavanjem može da bude jeftinije za proizvodnju delova od polimera u velikim količinama, ali aditivna fabrikacija može biti brža i jeftinija kada se proizvode delovi u malim količinama. 3D štampači daju dizajnerima i razvojnim timovima mogućnost da proizvode delove i koncept modele koristeći stoni 3D štampač. Rp sada ulazi u fazu “brze proizvodnje” – Rapid Manufacturing, i mnogi stručnjaci veruju da je to sledeći nivo u tehnologiji proizvodnje. [22] KorIšćenje RP-a u razvoju proizvoda: [1]

• Koncept modeli • Provera forme i međusobnih odnosa • Proučavanje ergonomije • Testiranje funkcionalnisti • Predlizi i prezentacije • Verifikacija CAD podataka • Proizvodne analize • Brza izrada alata (Rapid Tooling) • Brza proizvodnja (Rapid Manufacturing)

Slika 8.2: Neki od proizvoda izrađenih pomoću RP-a

Fizički prototip ↔ Virtuelni prototip + moguća prirodna ljudska interakcija + verifikacija karakteristika proizvoda + detekcija grešaka i mana

+ integracija podataka i simulacija kompleksnih proizvoda (DMU) + niži troškovi


Slika 8.3: Klasifikacija RP tehnologija [1]

Slika 8.4: RP proces


8.1. RP tehnologije

Na tržištu je dostupan veliki broj konkurentskih tehnologija. Kako su sve aditivne tehnologije njihova glavna razlika je način na koji se prave slojevi i kreiraju delovi. Neke tope ili omekšavaju materijale kako bi proizvele delove (SLS, FDM) dok druge slažu tečne termosetove koji se očvršćavaju na različite načine. U slučaju laminarnih sistema, tanki slojevi se seku a zatim spajaju zajedno. Od 2005. Konvencionalne mašine za RP koštaju oko 30000€.

Slika 8.5: Udeo korišćenja RP u različitim oblastima

RP tehnologije Osnovni materijali Selective Laser Sintering (SLS) Selektivno lasersko sinterovanje

Termoplastika, metalni prah

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Direktno lasersko sinterovanje metala

Skoro sve legure metala

Fused Deposition Modeling (FDM)

Termoplastika, eutektički metali

Stereolitography (SLA) Stereolitografija

Fotopolimeri

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Papir

Electron Beam Melting (EBM) Topljenje elektronskim zrakom

Titanijumske legure

3D Printing (3DP) Različiti materijali

Tabela 8.1: RP tehnologije [23]


8.2. AM – Additive Manufacturing

AM (adidivna proizvodnja) se definiše kao proces spajanja materijala radi izrade objekta iz 3D digitalnog modela, obično sloj po sloj, za razliku od tehnologija kod kojih se oduzima materijal, kao što je tradicionalna obrada rezanjem. AM opisuje tehnologije koje se svuda mogu koristiti kroz ceo životni ciklus počev od pre-produkcije (Rapid Prototyping) do proizvodnje punog obima (Rapid Manufacturing) pa čak i za izradu alata i postprodukcijsku kostumizaciju. Za ostvarivanje AM proizvodnje potrebne su samo tri stvari: materijali, energija i CAD model. AM je ekstremno novi metod proizvodnje, tako da mnogi od procesa nisu potpuno dokazani. [24] Napredak u RP tehnologiji omogućio je korišćenje materijala koji su pogodni za finalnu proizvodnju. Ovaj napredak u korišćenju materijala omogućio je direktnu proizvodnju finalnih komponenti, ali ipak, potrebno je prevazići još dosta prepreka kako si se adidivna proizvodnja mogla uzeti kao realističan izbor prilikom proizvodnje.

Slika 8.6: Prototipi izrađeni aditivnom proizvodnjom


8.3. SLS – Selective Laser Sintering (selektivno lasersko sinterovanje)

Selektivno lasersko sinterovanje je tehnika aditivne proizvodnje koja koristi lasere velike snage radi spajanja malih delove plastike, metala, keramike ili stakla u masu koja ima željeni 3D oblik. Laser selektivno spaja prah materijala uz pomoć skeniranja preseka generisanih iz 3D digitalnih modela na površinu korita sa prahom. Nakon što se skenira jedan presek, korito sa prahom se spušta za debljinu jednog sloja, i dodaje se novi sloj materijala na vrhu, i proces se ponavlja dok deo ne bude gotov. [25]

Gustina dobijenog dela zavisi od maksimalne snage impulsa lasera a ne od dužine delovanja lasera, zbog toga SLS mašine obično koriste pulsirajući laser. SLS mašine predzagrevaju prah u koritu negde do ispod temperature topljenja, kako bi olakšale laseru da podigne temperaturu selektovanih regiona do temperature topljenja. [26] Neke SLS mašine koriste jednokomponentni prah, kao što je direktno lasersko sinterovanje metala. Ali ipak, većina SLS mašina koriste dvokomponentne prahove, obično ili obložene prahove ili mešavinu prahova. Kod jednokomponentnih prahova laser topi samo spoljnu površinu čestica (površinsko topljenje) spajajući čvrsta neotopljena jezgra međusobno i za predhodni sloj. [26] U poređenju sa drugim metodama aditivne proizvodnje , SLS može proizvesti delove široke raznovrsnosti komercijalno dostupnih prahova materijala. Ovo uključuje polimere kao što su najlon, polistiren, kompozitni materijali, metale uključuju čelik, titanijum, legure, kao i peskove za pravljenje peščanih ili školjkastih kalupa za livenje.

Slika 8.7: SLS proces izrade i mašina za SLS sinterovanje


Fizički proces može biti sa potpunim topljenjem, parcijalnim topljenjem, ili sinterovanjem u tečnoj fazi. U mnogim slučajevima veliki broj delova se može upakovati u korito sa prahom, što omogućava visoku produktivnost. SLS se ostvaruje na mašinama koje se zovu SLS sistemi. SLS tehnologija je u širokoj upotrebi širom sveta zbog njene mogućnosti lakog pravljenja veoma kompleksnih geometrijskih oblika direktno iz CAD modela. Iako je počela kao način izrade delova prototipova u ranom razvojnom ciklusu konstruisanja, proširila se na ograničenu proizvodnju konačnih delova. Za razliku od nekih drugih metoda aditivne proizvodnje kao što su SLA i FDM, SLS ne zahteva konstrukcije za potporu zbog činjenice da se deo koji se izrađuje okružen svo vreme nesinterovanim prahom.

8.4. DMLS – Direct Metal Laser Sintering (diresktno lasersko sinterovanje metala) DMLS je aditivna tehnologija fabrikacije metalnih delova. U procesu se koristi 3D CAD model koji se prevodi u .stl fajl i šalje softveru mašine. Zatim se geometrija 3D modela odgovarajuće orijentiše kako bi mogla da se napravi i dodaje se konstrukcija za podupiranje. Tehnologija spaja metalni prah u čvrsti deo tako što ga lokalno topi uz pomoć fokusiranog laserskog snopa. Delovi se izrađuju dodavanjem materijala sloj po sloj, obično koristeći slojeve debljine 20 µm. Ovaj proces dozvoljava visokokompleksne geometrijske oblike koji su napravljeni u 3D CAD alatima, potpunu automatizaciju i bez korišćenja ikakvih alata. DMLS metoda dozvoljava izradu delova visoke tačnosti i detaljnosti, visok površinski kvalitet i dobijanje odličnih mehaničkih karakteristika izrađenih delova.

Slika 8.8: Neki od prototipa i proizvoda izrađenih DMLS metotom

DMLS ima mnoge prednosti u odnosu na tradicionalne tehnike proizvodnje. Brzina je najočiglednija zato što nije potreban specijalan alat a delovi se mogu proizvesti za nekoliko sati. Pošto DMLS može koristiti


većinu legura, prototipi izrađeni na ovaj način mogu biti i funkcionalni delovi napravljeni od istog materijala kao i proizvodne komponente. Prednosti nisu samo kod izrade prototipova, DMLS se takođe može koristiti i u proizvodnji. Ova metoda dozvoljava slobodu pri konstruisanju, i efikasnija konstrukciona rešenja u tehničkim aplikacijama. Pošto se delovi izrađuju sloj po sloj, moguđe je izraditi unutrašnje oblike i prelaze koji nebi mogli biti izliveni ili izrađeni na drugi način. Kompleksne geometrije i sklopovi sa više komponenata mogu biti uprošćeni sa manje delova i jeftinijom konstrukcijom. Ova tehnologija se osim za RP koristi i za proizvodnju delova u različitim industrijama uključujući aeronautiku, medicinu, stomatologiju i druge industrije koje imaju male ili delove srednje veličine visoke kompleksnosti kao i u alatnoj industriji. Sa radnim područjem od 250x250x185mm i mogučnošću izrade (“rasta”) više delova istovremeno, DMLS je tehnologija koja štedi vreme i novac. [27] Materijali koji se koriste kod ove metode mogu biti nerđajući i ugljenični čelici, kobalt, hrom, titanijumske legure. Teoretski se može koristiti bilo koja legura kada je proces u potpunosti razvijen i dokazan.

8.5. FDM – Fused Deposition Modeling

FDM je aditivna proizvodna tehnologija često korišćena za modeliranje, izradu prototipova i proizvodne aplikacije. FDM počinje sa softverskim procesom, koji procesira STL fajl nekoliko minuta, matematički izrezujući i orijentišući model za proces izrade. Ako je potrebno automatski se dodaje i konstrukcija za potporu. Mašina u sebi ima uskladištena dva materijala, jedan za izradu modela i drugi za potpornu konstrukciju koja se nakon toga odbacuje, ili rastvara. Termoplastika se topi i deponuje u glavi za ekstruziju koja se kreće po putanji livenja koja je definisana CAD crtežom. Materijal se lije u slojevima debljine 0,125 mm, a deo se izrađuje sloj po sloj od dna ka vrhu. FDN radi po aditivnom principu dodavanja materijala u slojevima. Plastična nit ili metalna žica se odmotavaju od kotura, i dostavljaju u štrcaljku za brizganje, štrcaljca se zagreva kako bi se istopio materijal, i može da se pomera horizontalno ili vertikalno uz pomoć numerički kontrolisanog mehanizma, koji se kontroliše uz pomoć CAM paketa. Za pomeranje štrcaljke obično se koriste koračni ili servo motori. [28] Za izlivanje modela obično se koristite različiti polimeri. Za izradu potporne konstrukcije obično se koriste materijali koji su rastvorljivi u vodi ili zagrejanom rastvoru natrijum hidroksida. Kovanica FDM – Fused Deposition Modeling je vlasništvo korporacije Stratasys. Ekvivalent ovom terminu je FFF – Fused Filament Fabrication, i predložena je od strane članova RepRap projekta kako bi se dobila fraza koja može da se koristi bez zakonskih ograničenja.

Slika 8.9: FDM metoda: 1- štrcaljka za izlivanje materijala, 2 –

izliveni model, 3 – pokretni sto


8.6. SLA – Stereolithography (Stereolitografija)

Stereolitografija je tehnologija aditivne proizvodnje modela, prototipova, šema i u nekim slučajevima proizvodnih delova. Kod ove tehnologije se koristi korito sa tečnim fotopolimerom “smolom” i UV laser radi izrade delova sloj po sloj. Na svakom sloju, laserski snop iscrtava presek modela po površini tečne smole. Izloženost UV laserskom snopu očvršćava šemu koja je iscrtana na tečnoj smoli i spaja je sa čvrstim slojem ispod nje. Nakon što se iscrta šema, platforma se spusti naniže za veličinu jednog sloja, obično 0,05 mm do 0,15 mm. Onda smola ponovo prekrije model, i ponovo se iscrtava šema sledećeg sloja. Nakon izrade kompletnog 3D modela, deo se čisti u hemijskom rastvoru od zaostale smole, a zatim se dodatno očvršćava u UV komori. [29]

Slika 8.10: Mašina za stereolitografiju Slika 8.11: Prototip izrađen SLS metodom Stereolitografija zahteva upotrebu potpornih konstrukcija radi pričvršćivanja dela nanoseću platformu, i radi sprečavanja narušavanja geometrije ne samo zbog gravitacije, već i zbog tačnosti držanja 2D poprečnih preseka na mestu prilikom ponovnog premazivanja smolom. Nosači se automatski generišu prilikom pripreme 3D CAD modela za korišćenje na stereolitografskoj mašini, mada se sa njima može i manuelno manipulisati. Stereolitografija ima mnogo drugih imena kao što su: 3D štampa, optička fabrikacija, foto-solidifikacija, slobodno-formna fabrikacija. Jedna od značajnih

Slika 8.12: SLS proces izrade modela


prednosti je što se željeni deo ma koliko komplikovan bio može proizvesti za jedan dan. Količina vremena koje je potrebno za izradu bilo kog dela zavisi od veličine i kompleksnosti projekta i može potrajati od nekoliko sati pa možda i više od jednog dana. Većina SLS mašina mogu da proizvedu delove maksimalne veličine od 500x500x600 mm. Prototipi napravljeni stereolitografijom mogu biti veoma značajni pošto su dovoljno čvrsti da budu dodatno obrađivani, a mogu biti korišćeni i kao kalupi za injekciono livenje, termoformiranje, livenje duvanjem, a takođe i za druge različite postupke livenja metala. Iako se stereolitografijom mogu napraviti različiti oblici, proces je često veoma skup – foto-očvršćavajuća smola košta od 60-150 € po litru. SLS mašina može koštati od 60000 do preko 400000 €.

8.7. LOM – Laminated Object Manufacturing (slojevita proizvodnja)

LOM je sistem RP-a razvijen od strane korporacije Helisys. Kod ove metode slojevi papira, plastike ili metalnih laminata su premazani adhezivom i sukcesivno međusobno zalepljeni i izrezani na odkovarajući oblik mehaničkim reznim sredstvom ili laserom. Ovaj proces se odvija sledećom procedurom: [30]

1. List (tabla) materijala je premazana adhezivnim sredstvom uz pomoć zagrejanog valjka. 2. Laser iseca odgovarajući oblik i dimenzije prototipa. 3. Uklanja se višak materijala 4. Platforma sa završenim slojem se pomera na dole. 5. Novi list materijala se stavlja na poziciju. 6. Platforma se pomera na gore i pozicionira za primanje novog sloja. 7. Ponavljanje procesa.

Karakteristike:

• Niska cena zbog spremnog i gotovog sirovog materijala • Papirni modeli imaju karakteristike slične drvetu, pa mogu i da se obrađuju u skladu sa tim • Dimenziona tačnost je malo manja nego kod stereolitografije i SLS-a • Mogu se izrađivati relativno veliki delovi, zato što nije potrebna nikakva hemijska reakcija.

Slika 8.13: Mašina za LOM proizvodnju


Slika 8.14: šematski prikaz postupka izrade prototipa LOM tehnologijom

8.8. EBM – Electron Beam Melting (topljenje elektronskim zrakom)

EBM je tip aditivnog procesa proizvodnje metalnih delova. Često se klasifikuje kao RP i RM metod. Tehnologija priozvodi metalne delove topljenjem metalnog praha sloj po sloj sa elektronskim snopom u visokom vakuumu. Za razliku od nekih tehnika sinterovanja, delovi imaju punu gustinu, bez šupljina su, i ekstremno jaki. Ovom metodom se proizvode metalni delovi direktno iz metalnog praha. EBM mašina čita podatke sa 3D CAD modela i pravi sukcesivne slojeve od praškastog materijala. Ovi slojevi se sjedinjavaju zajedno uz pomoć elektronskog snopa koji je kompjuterski kontrolisan. Na ovaj način se izrađuju delovi. Proces se odvija u vakuumu, što ga čini pogodnim za proizvodnju delova od materijala koji imaju visoki reaktivni afinitet prema kiseoniku, npr. titanijum. Istopljeni materijal je od čiste legure u prahu od konačnog materijala koji treba da se napravi (bez filera). Iz tog razloga kod EBM nije potrebana dodatna termička obrada za dobijanje punih mehaničkih karakteristika dobijenih delova. Taj aspekt dozvoljava klasifikaciju EBM-a sa SLM-om gde je kod konkurentskih tehnologija kao što su SLS i DMLS potrebna dodatna termička obrada nakon izrade. U poređenju sa SLM i DMLS, EBM ima superiorniju brzinu izrade zbog veće gustine energije i metoda skeniranja. [31]


EBM proces se odvija na povišenoj temperaturi, obično između 700 i 1000 °C, pri tpme se dobijaju delovi koji su praktično bez ikakvih zaostalih napona, što isključuje potrebu za termičkom obradom nakon izrade. Brzina topljenja: do 80 cm3/h. Minimalna debljina slojeva: 0,05 mm. Tolerancijska tačnost: ±0,2 mm. [31] Titanijumske legure se široko koriste sa ovom tehnologijom, što je čini pogodnom za tržište medicinskih implanta. Veštački kukovi se serijski proizvode ovom metodom od strane dva proizvođača u Evropi od 2007. godine i do danas je ugrađeno više od 10000 kukova proizvedenih na ovaj način. Nedavno je osvojena i proizvodnja od γ-TiAl (gama titanijum aluminid) legura za proizvodnju lopatica kod avionskih mlaznih motora.

8.9. 3D štampanje

3D štampanje je oblik aditivne proizvodne tehnologije gde se kreiraju trodimenzionalni objekti slaganjem sukcesivnih slojeva materijala. 3D štampači su generalno brži, pristupačniji i jednostavniji za korišćenje od ostalih aditivnih tehnologija RP-a. 3D štampači omogućavaju razvojnim timovima mogućnost štampanja delova i sklopova napravljenih od nekoliko materijala sa različitim mehaničkim i fizičkim karakteristikama, u jednom procesu izrade. 3D štampač radi tako što uzima 3D kompjuterski fajl a zatim koristi i pravi seriju slojeva u poprečnom preseku. Svaki sloj se onda štampa preko predhodnog kako bi se napravio 3D objekat. Od 2003. došlo je do značajnog porasta prodaje 3D štampača. Posledično tome došlo je i do pada cene 3D štampača. [32] Tehnologija se takođe koristi i u juvelirstvu, izradi obuće, industrijskom dizajnu, arhitekturi, inženjerstvu i konstrukcijama, automobilskoj industriji, aeronautici, stomatologiji i medicini.

Osim 3D štampe na tržištu je dostupan veliki broj konkurentskih tehnologija. Glavne razlike se ogledaju u načinu na koji se izrađuju slojevi. Svaki metod ima svoje prednosti i mane. Generalno glavni parametri prilikom izbora su brzina, cena izrađenog prototipa, cena uređaja, izbor materijala i mogućnost izbora boja. Za razliku od stereolitografije, inkjet 3D štampanje je optimizovano za brzinu, niske troškove, lako korišćenje, što ga čini pogodnim za vizuelizaciju tokom konceptualnih faza razvoja u inženjerstvu tokom testiranja u ranoj fazi razvoja. Koriste se netoksične hemikalije za razliku od onih koje se koriste u stereolitografiji, i potreban je samo minimalan dodatni rad na nakon štampanja. Danas se uspešno mogu štampati i objekti od keramike. Veličina čestica je obično od 50 do 100 µm.

Slika 8.15: Poređenje dva keramička umetnička dela,

oreginal je napravio John Balistreri, a replika je napravljena 3D skeniranjem i 3D štampom


Primena 3D štampe Standardna primenu uključuje vizuelizaciju dizajna, pravljenje prototipova iz CAD-a, livenje metala, arhitektura, edukacija, medicina, prodaja i zabava. Ostale primene su rekonstrukcija fosila u paleontologiji, pravljenje replika antičkih umetničkih dela u arheologiji, rekonstrukcija kostiju i delova tela u forenzičkoj patologiji i rekonstrukcija teško oštećenih dokaza sa mesta zločina. Od nedavno se 3D štampa koristi i u artističke svrhe. 3D štampanje se trenutno proučava u biotehnologiji radi mogućeg korišćenja u izradi tkiva gde se organi i delovi tela izgrađuju korišćenjem tehnike 3D štampe. Slojevi živih ćelija se deponuju na gelastom medijumu i polako se izgrađuje forma trodimenzionalne strukture tkiva. Za ovu namenu se koriste nekoliko termina: štampanje organa, bio-štampanje, kompjuterski podržani inženjering tkiva. Korišćenje tehnologija 3D skeniranja dozvoljavaju replikaciju realnih objekata bez korišćenja tehnika livenja, koje u mnogim slučajevima mogu da budu skuplje, teže, ili previše invazivne: u slučaju repliciranja antičkih artefakta, gde bi direktan dodir smesa za livenje oštetio površinu originalnog objekta. [33] Tržižna vrednost 3D štampača kreće se od 12000-50000€, u zavisnosti od brzine, rezolucije štampe, da li se radi o monohromatskim ili kolor štampačima. Najnoviji 3D kolor štampači pružaju mogućnost štampanja u 390000 boja. Takođe imaju i mogućnost štampanja teksta i slika na izrađenim 3D modelima. Materijal gotovih delova košta oko 0,50 €/cm3. Kolor 3D štampa takođe omogućuje i bolju FEA analizu.

Slika 8.17: Primer monohromatske i kolor 3D štampe

Slika 8.16: Primer replike umetničkog dela, 3D skeniranjem

preveden u virtuelni model, a zatim 3D štampanjem dobijeno realno fizičo delo


Slika 8.18: Primena kolor 3D štampe kod FEA analize

Slika 8.19: 3D štampači (Z Corporation ZPrinter 650 - $60000) [34]


Tržižna vrednost 3D skenera kreće se od 10000-40000€. Savremeni 3D skeneri mogu da rade u bilo kom okruženju, bez potrebe zaustavljanja radi repozicioniranja i rekalibrisanja. Samopozicioniranje eliminiše potrebu za glomaznim mehaničkim rukama, i spoljnim uređajima za pozicioniranjem, što takođe smanjuje i cenu i skraćuje proces skeniranja. Kontinualno skeniranje takođe eliminiše potrebu za postprocesiranjem skenova.

Slika 8.20: Savremeni 3D skener (Z Corporation ZScanner 800 - $50000) [34]


9. SISTEMI ZA SKLADIŠTENJE I OBRADU ZNANJA

Sistemi za skladištenje i obradu znanja (Knowledge Management Systems – KM Systems) u organizacijama služe radi podrške stvaranju, sakupljanju, čuvanju i širenju informacija. Svrha ovih sistema je da omoguće zaposlenima da uvek imaju pristup dokumentovanoj bazi činjenica, izvora, informacija i rešenja u nekoj organizaciji. Na primer tipična tvrdnja koja opravdava kreiranje KM sistema u nekoj organizaciji može biti sledeća: inženjer može znati metaluršku kompoziciju legure koja smanjuje šum u zupčastom prenosniku. Deljenje ove informacije celoj organizaciji može dovesti do bolje konstrukcije motora a takođe može dovesti i do novih ideja za novu i poboljšanu opremu. [35] Menadžment podacima je eksplicitni menadžment vitalnih podataka i informacija koje poseduju pojedinci kako bi se informacije efektivno podelile i bile korišćene od strane drugih pojedinaca unutar organizacije. Kroz efektivno deljenje kooperativnog intelektualnog kapitala, organizovano znanje se mora efikasno transformisati u poslovnu inteligenciju. Personalno znanje koje uključuje poslovni proces mora se prevesti u kooperativno znanje kako bi se moglo koristiti u korist organizacije i kako bi se dosledno koristilo. Osnovna funkcija sistema za skladištenje i obradu znanja bi trebalo da bude omogućavanje informacija dostupnim autorizovanim korisnicima. Ipak, implementacija jednostavnog menadžmenta podacima, indeksiranje dokumenata i pronalaženje sistema je samo početak. Objedinjavanje kooperativnog znanja uključuje više od softvera i tehnologije, zahteva takođe i dobar i jak softver za menadžment dokumentima kao i kulturnu transformaciju načina procesiranja podataka, njihovog skladištenja, distribucije kao i njihovo pretvaranje u inovaciju. Dobar softver za skladištenje i obradu znanja u nekoj radnoj organizaciji treba da obezbedi: [37]

• Podstiče deljenje i kolaboraciju kooperativnog znanja i intelektualne svojine. • Omogućava lak pristup svežem i apdejtovanom sadržaju. • Poseduje mehanizam obaveštavanja koji obaveštava zaposlene o novim ili izmenjenim

dokumentima. • Poseduje robustne alate za pretragu egzistirajućih informacija i znanja kako bi ovi podaci mogli

ponovo da se koriste, a ne da se iznova generišu. • Klasifikaciju i kategorizaciju informacija radi lakog pristupa i ponovnog korišćenja. • Definisane meta-podatke kako bi se dokumenti i informacije brzo pretražili. • Poseduje templejtove (šablone) za informacije kako bi sve informacije bile ažurirane u skladu sa

prepoznatljivim kooperativnim standardom. • Efektivni sistem obaveštavanja koji oformljuje informisano društvo korisnika. • Okruženje koje podržava i dozvoljava zajednici korisnika da doprinose uvećanju informacija i

znanja. Sistemi za skladištenje i obradu znanja barataju sa informacijama (mada se menadžment podacima i znanjem kao disciplina može proširiti izvan informaciono-centričnog aspekta bilo kog sistema) tako da su oni klasa informacionog sistema i mogu se nadograđivati, ili koristiti druge informacione izvore.


Prepoznatljive osobine KM sistema mogu da sadrže: [36]

1. Svrha: KM sistem imaće eksplicitni zadatak za menadžment znanja kao što je kolaboracija, deljenje.

2. Sadržaj: Jedna svrha KM sistema je pogled na znanje kao informaciju koja je veoma dobro organizovana, akumulirana i usađena u sadržaj kreacije i aplikacije.

3. Procesi: KM sistemi su razvijeni da podrže i razmenjuju procese, zadatke ili projekte zasnovane na znanju, odnosno da razmenjuju stvaralaštvo, konstrukciju, identifikaciju, prikupljanje, selekciju, valuaciju, organizaciju, povezivanje, struktuiranje, formalizaciju, vizuelizaciju, transfer, distribuciju, održavanje, poboljšanje, reviziju, evoluciju, pristup, povraćaj i zadnju ali ne i poslednju primenu znanja, poznatu kao životni ciklus znanja.

4. Učesnici: Korisnici mogu igrati ulogu aktivnih, upletenih učesnika u mrežama znanja i zajednica čuvanih od strane KM sistema, mada ovo ne mora obavezno biti slučaj. Dizajn KM sistema se pravi tako da reflektuje činjenicu da se znanje razvija kolektivno i da distribucija znanja dovodi do njegove neprekidne promene, rekonstrukcije i primene u različitim kontekstima, od strane različitih učesnika sa različitim pozadinama i iskustvima.

5. Instrumenti: KM sistemi podržavaju KM instrumente, odnosno hvatanje, pravljenje i deljenje iskustava, pravljenje kooperativne baze znanja, taksonomija ili ontologija, menadžment veštinama, kolaborativno filtriranje i nošenje sa interesima koji se koriste za povezivanje ljudi, pravljenje ili održavanje zajednica ili mreža znanja.

KM sistemi pružaju integrisane servise za primenu KM instrumenata mrežama učesnika, odnosno aktivnim radnicima u znanju, u poslovnim procesima intezivno zasnovanim na znanju kroz ceo životni ciklus znanja. KM sistemi mogu biti korišćeni u širokom rasponu kooperativnog, kolaborativnog, adhok i hijearhijskim zajednicama, virtuelnim organizacijama, društvima i drugim virtuelnim mrežama, radi upravljanja medijskim sadržajima: aktivnostima, interakcijama i tokom rada; projektima; radom, mrežama, odeljenjima, privilegijama, ulogama, učesnicima i drugim aktivnim korisnicima radi izdvajanja i generisanja novog znanja i radi obogaćivanja, izjednačavanja i transfera u novim ishodima znanja omogućavajući nove servise korišćenjem novih formata i različitih komunikacionih kanala. Neke od prednost koje pružaju sistemi za skladištenje i obradu znanja su:

1. Deljenje vrednih organizacionih informacija kroz celu organizacionu hijearhiju. 2. Mogu da izbegnu “ponovni pronalazak točka”, smanjujući suvišan rad. 3. Mogu smanjiti potrebno vreme za obuku novih zaposlenih. 4. Zadržavanje intelektualne svojine u organizaciji nakon što određeni radnik napusti organizaciju.


10. KOMPJUTERSKA OPTIMIZACIJA

Jasno je da se prilikom konstruisanja treba tražiti optimalno konstrukciono rešenje. Ono što nije jasno je kako prepoznati “optimalnu” konstrukciju. Prema rečniku “optimalno” je “najviši stepen ili najbolji rezultat dobijen ili koji se može dobiti pod određenim uslovima”. Fraza “pod određenim uslovima” daje slobodu prilikom konstruisanja. Konstruktor može definisati uslove koji dozvoljavaju procenu prema alternativnim rešenjima. U inženjerskoj terminologiji, to znači definisanje matematičkih jednačina koje kvantifikuju karakteristike konstrukcije. Na primer izjava “dobre vozne karakteristike” prevedeno bi značilo maksimalne vrednosti što se tiče ubrzanja i iskustva koje se može doživeti prilikom vožnje. Kvantifikacioni parametar koji se koristi za evaluaciju konstrukcije predstavlja glavni cilj koji treba da se zadovolji. Naravno, ponekad je moguće imati više glavnih ciljeva. Na primer, vrlo je moguće da će konstruktor automobila kao glavne ciljeve simultano postaviti sigurnost i nisku cenu. Na žalost u mnogim slučajevima, ovi ciljevi su kontradiktorni, što konstruktoru veoma otežava posao da dostigne najbolji kompromis. Konačna konstrukcija najčešće zahteva neku vrstu kompromisa. [38]

Slika 10.1: Optimizacija volana

Radi još većeg otežavanja cele stvari veoma mali broj konstruktora ima na raspolaganju luksuz beskrajnih resursa kako bi gonili svoje ciljeve. Bilo da su resursi novac koji može da se potroši na materijale, količina goriva koju svemirska letelica može da ponese ili maksimalni koeficijent otpora kod sportskih automobila, najčešće postoje granice u okviru kojih se može raditi. Ove granice ili ograničenja doveli su do razvoja grane koja se naziva optimizacija sa ograničenjima. Rešenje koje zadovoljava ograničenja je podesno rešenje konstrukcije. Važno je razumeti da se ne dobijaju sve konstrukcije kao potpuno nova rešenja. U nekim slučajevima, mora se početi od postojećih konstrukcionih rešenja i vršiti njihovo poboljšanje do najboljih mogućih


rezultata. Ovo može biti iz više razloga, počevši od potrebe da se iskoristi postojeći inventar pa do modifikacije proizvedene konstrukcije koja nije dala dobre rezultate. Ukoliko se počinje ni iz čega, odnosno pravi potpuno novo rešenje, mogu se navesti ciljevi i ograničenja i onda tražiti najbolje rešenje. Ako se radi na modifikaciji postojeće konstrukcije stvari su obično malo teže pošto postoji manja mogućnost za fleksibilnost prilikom menjanja stvari. Mašinski inženjeri se suočavaju sa još jednim zahtevom. Većina komponenata koje se konstruišu se moraju uklopiti sa drugim komponentama u sklopu. Ovo znači da se komponente moraju konstruisati u ograničenom prostoru u kome komponente moraju da se uglave, a čitav sklop daje vrlo malo mogućnosti za odstupanja pošto ograničenja definišu druge komponente. Konačno, možda i ne bude dozvoljeno menjati svaki mogući parametar. Na primer materijal koji se koristi možda poseduje ograničenja koja su izvan kontrole konstruktora: ukoliko se koristi čelični lim ograničenja su takođe i komercijalno dostupne debljine limova. [38]

10.1. Analiza i konstrukcija Pravljenje koncepta uključuje sintezu ideja koje sugerišu različite alternative i predloge. Ocenjivanje performansi svakog predloženog rešenja uključuje analizu funkcije određenog predloženog rešenja. Kod konstruktora se postavlja pitanje na koju funkciju treba da se fokusira. Pogodana strana korišćenja konstruktorske optimizacije kao deo CAE paketa je što se simultano mogu raditi obe stvari, umesto raditi jednu za drugom. Kao što smo ustanovili, separacija konceptualne konstrukcije i verifikacije konstrukcije u odvojene korake je bila jedna od glavnih razloga zašto analiza nije najbolje uspevala. U konvencionalnom procesu konstruisanja, konstruktor bi morao da se osloni na iskustvo ili instinkt i intuiciju kako bi došao do rešenja. Nakon toga se koriste alati za analizu radi ocenjivanja svakog predloga, zatim konstruktor koristi rezultate ove analize kako bi izabrao najbolje. Kompjuterska optimizacija ovo menja. Konstruktor definiše ograničenja i postavlja optimizacionom alatu da dođe do predloga. Optimizator koristi alat za analizu radi odlučivanja kako da promeni početnu konstrukciju kako bi dobio bolju. U kvalitativnoj terminologiji, analizirani problem ima samo jedan tačan odgovor ( ili barem u linearnoj analizi, gde je jedinstvenost rešenja važna). Konstrukcija naravno, nema jedinstveno “tačno” rešenje. Uvek postoji veći izbor opcija koje mogu da zadovolje iste zahteve, zbog čega je veoma važno je tragati za optimalnim rešenjem. Ovo je razlog zbog čega dobar analitičar najčešće nije i dobar konstruktor. Za konstruktora, analiza i optimizacija su više komplementarne funkcije. One su jednako važni delovi konstrukcione optimizacije: model konstrukcione optimizacije se sastoji od analitičkog modela i optimizacionog modela. Ovo su povezane i zavistne ali odvojene oblasti, tako da treba razumeti koji delovi konstrukcionog problema su definisani u analitičkom modelu a koji u optimizacionom modelu. Svet optimizacije bi bio veoma težak za život. To je otprilike kao zadatak naći crnu mačku u mračnoj sobi. Znate da je negde tamo, ali morate da osećate ispred sebe, vraćate se nazad i menjate pravac veoma često sobzirom da i mačka menja poziciju svaki put kada se pomerite. U svetu linearnih jednačina, barem smo sigurni da postoji mačka u sobi, i da postoji samo jedna mačka koju tražimo. Na ovo se ne može računati sa mnogim problemima u stvarnom svetu. Sobzirom da se osoba koja analizira zove analitičar,


možda bi osoba koja teži optimizaciji trebala da se zove optimista! Cilj optimizacije je naći bolje konstrukciono rešenje od onog sa kojim počinjemo. U nekim slučajevima će ono biti i najbolje dok u drugim neće.

10.2. Traženje optimuma Sobzirom da bi smo bili srećni makar da nađemo bolje rešenje iako ono nebi bilo i najbolje, obično tražimo neko optimalno rešenje, a ne obavezno određeno optimalno rešenje. Teorija optimizacije, po konvenciji, je traženje minimuma funkcije optimizacije. Funkcija koja ima samo jedan minimum u domenu optimizacije zove se konveksna funkcija. Krive drugog reda imaju samo jedan ekstremum. Krive višeg reda mogu imati više ekstremuma u optimizacionom domenu. Ekstremum u kome optimizaciona funkcija ima najmanju vrednost se zove globalni minimum, dok se svi ostali minimumi nazivaju lokalni minimumi. Problemi u stvarnom svetu mogu imati na stotine, ako ne i hiljade konstrukcionih promenljivih. A funkcija optimizacije je najčešće višeg reda, sa više lokalnih minimuma u domenu optimizacije.

Slika 10.2: Optimizaciona funkcija

Matematika optimizacije Problemi optimizacije mogu da budu linearni – kada postoji linearna zavisnost između ulaznih veličina i izlaznih i nelinearni. Da bi se definisao problem u konstrukcionoj optimizaciji mora se prvo definisati konstrukcioni prostor, konstrukcione promenljive, ograničenja i ciljevi. Primer Napraviti laku konzolu koja treba stati u zapreminu 300 x 300 x 600mm. Treba da bude napravljena od čelika, nosivost 100 kg, maksimalna dozvoljena deformacija 0,1mm, maksimalni dozvoljeni napon 200 N/mm2. Dozvoljeno je koristiti čelični lim koji može biti debljine 1mm, 2mm ili 4mm. U ovom slučaju, prostor za konstrukciju bi bio 300 x 300 x 600mm. Cilj je minimizirati masu. Ograničenja bi bila dozvoljeni napon i deformacija. Konstrukcione promenljive bi bile debljina ima, konstrukcija-lokacija materijala unutar dozvoljenog prostora za konstruisanje.


Za rešavanje ovakvog problema, treba početi od inicijalne konfiguracije ili predloga. Pri tome se koristi softver za analizu radi izračunavanja mase, napona i deformacija konfiguracije – vrednost izračunate uz pomoć paketa za analizu i praćene od strane osobe koja vrši optimizaciju zovu se odgovori konstrukcije. Konstruktor će oceniti osetljivost odgovora na različite konstrukcione promenljive, i odlučiti koje će promeniti i za koliko. Kada se konstrukcione promenljive promene, takođe se menjaju i odgovori. Ako se promeni debljina lima, menja se i masa konzole. Promeniće se i deformacija i napon. Tako da će konstruktor morati ponovo da traži odgovor od paketa za analizu da oceni odgovore. Ova iterativna procedura će se nastaviti dok konstruktor ne zaključi da je našao najbolju moguću konstrukciju za data ograničenja i promenljive. Deo izazova prilikom optimiziranja proizvoda je to da konstruktori nisu uvek u mogućnosti da jasno definišu njihov konstrukcioni problem ili daju definiciju “optimalnog”. Ovo ne treba previše da zastrašuje čak i ako se ne dobije najbolja konstrukcija, bilo koja promena na postojećoj dovodi do bolje. Tehnologija optimizacije je veoma robustna danas. Većina metoda su inteligentno implentirane od strane softvera.

Slika 10.3: Povezivanje optimizacionih modela, metoda i alata kod kompjuterske optimizacije[1]

start

Finiš

Početni model

CAD, FEA model, Excel, Matlab…

Analiza/evaluacija

Nastran, LSDyna, Matlab, Excel…

Izabrani model

Excel, SOL2000, LSOpt, Matlab, sopstveni kod

Optimizacioni metod

Excel, Matlab, LSOpt, SOL2000, sopstveni kod


LITERATURA [1] Kristina Shea, Computer Aided Product Development, Technischen Universitt Mnchen, (TUM),2006 [2] Jivka Ovtcharova, A framework for feature-based product design: fundamenyal principles, system concepts, applications [3] Miltenović V., Razvoj proizvoda – strategija, metode, primena, Univerzitet u Nišu – Mašinski fakultet, Niš, 2003. [4] Michael Friendly (2008). "Milestones in the history of thematic cartography, statistical graphics, and data visualization". [5] Kalawsky, R. S. (1993). The Science of Virtual Reality and Virtual Environments: A Technical, Scientific and Engineering Reference on Virtual Environments, Addison-Wesley, Wokingham, England [6] Mychilo Stephenson (2005). Power, Madness, & Immortality: the Future of Virtual Reality. [7] Kenneth Crow "Product Data Management/Product information management" [8] In the words of the Simulation article in Encyclopedia of Computer Science, "designing a model of a real or imagined system and conducting experiments with that model". [9] Sokolowski, J.A., Banks, C.M. (2009). Principles of Modeling and Simulation. Hoboken, NJ: Wiley. p. 6. ISBN 978-0-470-28943-3. [10] Simulated reality (http://en.wikipedia.org/wiki/Simulated_reality) [11] Sherman, W.R., Craig, A.B. (2003). Understanding Virtual Reality. San Francisco, CA: Morgan Kaufmann. ISBN 978-1-55860-353-0. [12] Zahraee, A.H., Szewczyk, J., Paik, J.K., Guillaume, M. (2010). Robotic hand-held surgical device: evaluation of end-effector’s kinematics and development of proof-of-concept prototypes. Proceedings of the 13th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, Beijing, China. [13] Benedettini, O., Tjahjono, B. (2008). "Towards an improved tool to facilitate simulation modeling of complex manufacturing systems". International Journal of Advanced Manufacturing Technology43 (1/2): 191–9. doi:10.1007/s00170-008-1686-z. [14] Banks, J., Carson J., Nelson B.L., Nicol, D. (2005). Discrete-event system simulation (4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-088702-3. [15] Dr. M. Jovanović, Mr. J. Jovanović : CAD/FEA Praktikum za projektovanje u mašinstvu, Podgorica 2000. [16] Digital Mockup (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_mockup) [17] James C. Schaaf, Jr. and Faye Lynn Thompson. “Systems Concept Development with Virtual Prototyping”. Proceedings of the 29th conference on Winter simulation, pp. 941 - 947. 1997. DOI 10.1.1.74.2308 [18] Dan LaCourse, “Virtual Prototyping Pays Off”. Cadalyst Magazine. May 1, 2003. [19] Tim Ghazaleh. “Virtual Prototyping” (PDF). Printed Circuit Design & Manufacture Magazine. November 1, 2004. [20] Von Thomas Otto. "Endlich umfassend simulieren". Digital Engineering, 6/10 – July–August 2010 [21] Rapid Prototyping (http://en.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping) [22] Wohlers Report 2009, State of the Industry Annual Worldwide Progress Report on Additive Manufacturing, Wohlers Associates, 2009, http://www.wohlersassociates.com/, ISBN 0-9754429-5-3 [23] Wright, Paul K. (2001). 21st Century manufacturing. New Jersey: Prentice-Hall Inc. [24] Hopkinson, N & Dickens, P 2006, 'Emerging Rapid Manufacturing Processes', in Rapid Manufacturing; An industrial revolution for the digital age, Wiley & Sons Ltd, Chichester, W. Sussex [25] Selective Laser Sintering (http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering) [26] Prasad K. D. V. Yarlagadda, S. Narayanan. "GCMM 2004: 1st International Conference on Manufacturing and Management". 2005. [27] Additive Companies Run Production Parts (http://www.rapidtoday.com/rqm.html) [28] http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling [29] Kalpakjian, Serope and Steven R. Schmid. Manufacturing Engineering and Technology 5th edition. Ch. 20 (pg 586-587 Pearson Prentice Hall. Upper Saddle River NJ, 2006. [30] http://en.wikipedia.org/wiki/Laminated_object_manufacturing [31] http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_beam_melting [32] Close-Up On Technology - 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping - 08/04". Ptonline.com. [33] Paolo Cignoni, Roberto Scopigno (June 2008), "Sampled 3D models for CH applications: A viable and enabling new medium or just a technological exercise?" (PDF), ACM Journal on Computing and Cultural Heritage 1 (1): 1, doi:10.1145/1367080.1367082. [34] Z Corporation (http://www.zcorp.com) [35] Akscyn, Robert M., Donald L. McCracken and Elise A. Yoder (1988). "KMS: A distributed hypermedia system for managing knowledge in organizations". Communications of the ACM 31 (7): 820-835. [36] Maier, R (2007): Knowledge Management Systems: Information And Communication Technologies for Knowledge Management. 3rd edition, Berlin: Springer. [37] Document Management Software: infoRouter: http://www.inforouter.com [38] Singiresu S. Rao, Engineering Optimization: Theory and Practice

Metal–metal friction characteristics and thetransmission efficiency of a metal V-belt-typecontinuously variable transmissionK Narita1,2 and M Priest2

1Lubricants Research Laboratory, Idemitsu Kosan Co., Ltd. Ichihara-shi, Chiba, Japan2Institute of Tribology, School of Mechanical Engineering, The University of Leeds, Leeds, UK

The manuscript was received on 9 December 2005 and was accepted after revision for publication on 8 August 2006.

DOI: 10.1243/13506501JET169

Abstract: The influence of metal–metal friction characteristics on the efficiency of a continu-ously variable transmission (CVT) of a metal pushing V-belt type was experimentally investi-gated using a commercial CVT unit of a metal belt assembly and pulley design. Theexperiments for transmission efficiency were carried out, varying the clamping force on the sec-ondary pulley from 10.5 to 34.6 kN and the speed ratio from 2.36 (reduction ratio) to 0.44 (over-drive ratio). In order to analyse the metal–metal friction characteristics of each contact pair, aring-on-disc tribometer was developed. Fluids giving a higher transmittable CVT torquecapacity of CVT were found to have the potential for decreasing the maximum requiredpulley clamping force, resulting in the reduction of overall power loss in the CVT unit. The trans-mission efficiency of the CVT decreased under an overdrive speed ratio and lower load con-dition. The maximum difference in the efficiency between all the commercial automatictransmission and CVT fluids tested at the same pulley clamping force condition reached3 per cent. This number depends on the friction losses caused by slipping behaviour betweenthe belt segments and pulley, the segments and band, and between the bands. Furthermore,mathematical modelling of the friction loss in the belt was developed. Results calculated bythis model were similar to those obtained experimentally.

Keywords: continuously variable transmission belt, transmittable torque capacity, trans-mission efficiency, friction loss, lubricants

1 INTRODUCTION

The proportion of passenger cars in the USA andJapan equipped with automatic transmissions (ATs)is already more than 80 per cent and there is also agradual increase in the number of AT vehicles inEurope. In Europe, it reached 20 per cent in 2002[1], although ,10 per cent of all cars were equippedwith ATs at the beginning of the 1990s.

ATs may be classified into two categories accord-ing to whether speed changes are controlled byusing gears or gear less devices. The first categorycan be defined as a step-type AT, which normally

employs sets of planetary gear trains and shiftclutches as a speed change mechanism.

An example of the second type is a continuouslyvariable transmission (CVT) of the pushing metalV-belt type. CVT is attractive because it gives goodperformance in terms of driving comfort (therebeing no perceptible ratio change, due to theabsence of stepped gears). In addition, CVT allowsthe engine to rotate at its maximum torque for opti-mum performance or at a lower engine speed for fueleconomy [2]. Therefore, the use of CVTs has beengrowing since a steel-belt CVT was for the first timeput to practical use in 1 l automobiles in 1987. Fur-thermore, the CVT is now being installed in largercars of more than 2 l engine capacity. Regardinglubricating oils for CVTs, automatic transmissionfluids (ATF) were used for both ATs and CVTs until

Corresponding author: School of Mechanical Engineering, Uni-

versity of Leeds, Woodhouse Lane, Leeds LS2 9JT, UK. email:

[email protected]

11

JET169 # IMechE 2007 Proc. IMechE Vol. 221 Part J: J. Engineering Tribology

the latter half of the 1990s. With the spread of appli-cation to larger vehicles, fluids for belt CVT (CVTFs)are required to give greater transmittable torquecapacity and excellent anti-wear performancebetween the belt and the pulley [3]. This has led tospecific formulations for CVT application.

Studies on the effects of oil properties on thetransmittable torque capacity of a CVT have beenreported since the mid of the 1990s. Kato et al. [4]evaluated the friction characteristics that affectedthe torque capacity and stick-slip phenomenabetween metal–metal interfaces by using a two-plane friction-testing machine. Ishikawa et al. [5]explained that the films in the contact regions gener-ated by zinc-dithio phosphate (ZnDTP) additive con-tribute to the improvement in torque capacitybetween the belt and pulley. In addition, it wasreported [6] that ZnDTP in the presence of calciumsulphonate detergent could form harder anti-wearfilms on the rubbing surfaces compared withZnDTP alone. The individual effects of typical addi-tives used in ATFs and CVTFs and the combinedeffects [7] with the anti-wear agent (ZnDTP) on fric-tion coefficient were investigated using a ball-on-disc reciprocating friction tester. Since 2000, anattempt to improve torque capacity by means of oilformulation with non-ZnDTP type additive hasbeen made [8] and detailed analyse [9, 10] of bound-ary lubrication films from CVT fluids have beenconducted.

Some mathematical models concerning the slipmechanism of a metal CVT have been proposed.Micklem et al. [11] proposed a friction model basedon elasto-hydrodynamic theory and it was shownthat there was a good agreement between measuredand calculated slip values between the belt and thepulley. Kobayashi et al. [12] analysed the slip mech-anism by focusing on the distribution of the gapsoccurring between the segments, and simulationpredicted the slip-limit torque at which the slipratio increases sharply. These modelling studiespaid attention to the slipping behaviour at thereduction speed ratio and the maximum torque con-dition, but they did not refer to the transmission effi-ciency of CVT under a realistic running conditionsuch as an overdrive speed ratio. The series ofpapers by Akehurst et al. [13–15] details an investi-gation into the loss mechanisms that occur withinthe belt drive due to relative motion between thebands and segments and between the pulleys andthe belt due to pulley deflection effects.

In some working points of a pushing V-belt CVT,an unexplainable noise occurs. Lebrecht et al. [16]built up a simulation model which contains an elas-tic model of the pulley sheaves as well as a detaileddescription of the belt in order to find out thereason of noise phenomena.

Poll et al. [17] predict the performance ofchain-type belt CVT through an iterative compu-tation by numerically solving a set of differentialequations for the forces and motions coupled witha finite-element computation of the deformations.

On the other hand, it will be a more importantissue for CVT fluids to improve fuel efficiency per-formance because of forthcoming CO2 emissionsregulation. There are, however, quite a few papersdiscussing the impacts of lubricating oils on thetransmission efficiency of CVTs. A difference in thetransmission efficiency with oil type was found inour previous study [18], but the reason for this differ-ence has not been made clear. The aims of this studywere to investigate the effects of metal–metal frictioncharacteristics on the efficiency of a metal V-belttype CVT under various running conditions byusing an actual CVT and to develop a calculationmodel for friction loss in the CVT.

2 CONSTRUCTION OF A METAL V-BELT TYPECVT

Figure 1 shows the general assembly of the pushingmetal V-belt type CVT [11, 19], which is composedof two V-shaped pulleys connected by a steel belt.The torque from the engine is transmitted to thedriven secondary pulley by the action of the steelbelt. Non-steady-state gear ratio can be obtainedby changing the relative groove widths of the pulleyunder hydraulic control. The belt assembly consistsof about 400 flat segments and thin laminated ringsets, which are set into the blocks on the right andleft side. Each band set contains 9 or 12 thin bandsfor maximum flexibility when the belt moves rounda pulley. A peg in the forward face of a segmentengages with a dimple in the rear face of the segmentin front, and then that segment pushes the next

Fig. 1 Construction of a metal V-belt CVT

12 K Narita and M Priest

Proc. IMechE Vol. 221 Part J: J. Engineering Tribology JET169 # IMechE 2007

segment and so on. Contact between segments as thebelt moves around a pulley occurs through a linecontact parallel to the pulley axis called the rockingedge. The distance from the centre of the pulleyaxis to the rocking edge of the segment on a pulleyis defined as a pitch radius at a specified speed ratio.

It is known that the torque capacity depends onthe friction characteristics between the segmentsides and the pulley surface. Furthermore, it isassumed that the contact surfaces between the seg-ment and the pulley are under boundary lubricationconditions [8]. The tribological interfaces betweenthe segment/pulley, the segment/band, and betweenbands may also have a great impact on the overalltransmission efficiency.

A schematic of the belt assembly is shown in Fig. 2.In this paper, the regions between 1–2, 2–3, 3–4, and4–1 are called the straight part of the upper side belt,the arc part on the secondary pulley, the straight partof the lower side belt, and the arc part on the primarypulley, respectively.

3 EXPERIMENTAL PROCEDURES

3.1 CVT bench test

Parameters influencing the transmittable torquecapacity and efficiency of a CVT were evaluatedusing a CVT bench tester, as shown in Fig. 3. Thistest rig was designed to evaluate the transmissionperformance which is caused by the friction charac-teristics in essential CVT parts of the belt and pulley;it is not a whole gearbox. The belt assembly and pull-eys were taken out of a commercial CVT unit and setin the belt box. The bearings supporting the pulleyshafts are hold in the pillow blocks. This CVT unitis designed for a vehicle having engine displacementvolume of 2.0 l. An AC motor drives the primarypulley and the drive torque is transmitted to the sec-ondary pulley through the belt. The output from the

secondary pulley is absorbed by a dynamometer. Thedynamometer was programmed so that the drivetorque could be adjusted to set values. Speed andtorque transducers were connected to the drive andoutput shafts. The measurements were carried outvarying the clamping force on the secondary pulleyfrom 10.5 to 34.6 kN. The values of clamping forcein actual cars are determined by their running con-ditions. For example, the force of 34.6 kN representsthe required clamping force so that the CVT used inthis study can transmit the maximum engine torqueof 200 Nm. Hydraulic pressure supply to both pulleyscan be adjusted by solenoid valves installed in the oilpressure and temperature control device (Fig. 3).

During all measurements, the test fluid is directlysprayed on to the backside of the belt through thebelt lubricant tube and its temperature kept constantat 100 8C. The belt lubricant flow was adjusted to3.3 1025 m3/s. In order to monitor the splashtemperature from the primary pulley, a thermo-couple was fitted at a location about 5 mm fromthe belt, also as shown in Fig. 3. All data in thissystem were automatically logged at a rate of 60 Hzand collected data could be rapidly averaged everysecond. The measurements were repeated threetimes for each oil.

3.1.1 Transmission efficiency

Transmission efficiency of the CVT is

Transmission efficiency ¼Vs Ms

Vp Mp(1)

where Vp is the primary pulley rotated speed,Mp theprimary pulley torque, and Ms the secondary pulleytorque.

Power loss of the CVT from this equipment is

Power loss ¼2p(Vp Mp Vs Ms)

60000(kW) (2)

The power loss given by equation (2) includesslipping losses arising between each contacting com-ponent in the CVT, the belt torque loss caused by theresistance to radial resistance and the loss from fourbearings supporting the pulley shafts. The slippinglosses in the whole power loss can be quantified asa friction loss by the experimental proceduredescribed in section 4.4.

Speed ratios were ranged from 2.36 to 0.44 bycontrolling hydraulic pressure supplied to the pri-mary pulley, keeping pressure on the secondarypulley at a constant value. Speed ratio of 2.36 corre-sponds to the reduction ratio, and 0.44 is theFig. 2 Section of the belt

Metal–metal friction characteristics of a metal V-belt-type CVT 13


overdrive ratio. Speed ratio I is expressed as

I ¼Vp

Vs(3)

3.1.2 Transmittable torque capacity

There are slipping phenomena due to relativemotion between the belt and pulley, between thebelt segments and bands, and between the bands.Especially, a large slipping between the belt andpulley could cause a significant damage to the beltside and pulley sheave surface because the contact-ing pressure between the belt and pulley is estimatedat 100 MPa [2], this value seems to be more thanten times as high as those between the segmentsand bands.

In loaded operation, the CVT runs at a slightlyreduction speed ratio. This difference is known asthe slip ratio between the belt and pulley, SR asdefined by (Van Doorne’s Transmissie) [20].

SR ¼(IL IN)

IN 100 ( per cent) (4)

where IL is the speed ratio at a loaded condition andIN is the specific value at a no load.

Under lower drive torque conditions, some of thedrive in the belt passed by the bands tension not bycompression in the segments, and there is a verysmall increase in the slip ratio. The slip ratio

suddenly rises at approximately quarter load, whichcorresponds to the transition point, at which thecompression side and the slack side change sides[21]. From then, compressive force acts on the beltin a forward direction and the slip ratio graduallyincreases. When the drive torque reaches the sliplimit torque, a macro-slip occurs and no moretorque can be transmitted. This macro-slip isknown to occur on the condition when the slipratio reaches 4–6 per cent [12].

Torque capacity tests were conducted by holdingthe primary pulley speed stable at 14 m/s and thespeed ratio at 2.36. The drive torque was raised stepby step at a rate of 5 Nm every minute until a remark-able increase in the slip ratio was detected. Once theslip ratio reached the limit value, the load on thedynamometer was instantaneously released to pre-vent catastrophic damage to the pulley sheave andbelt. The torque capacity of that fluid was thendefined as the drive torque at the moment whenthe slip ratio reached 3 per cent so that the beltsystem would not be damaged significantly. Any sur-face damage seemed to give little influences on theresults because the repeatability of torque capacitywas found to be within +3 per cent.

3.1.3 Test oils

ATFs were originally used for belt CVT until the latterhalf of the 1990s. Belt CVTFs have been brought tomarket since the end of the 1990s. The test oils

Fig. 3 Schematic of belt CVT bench tester



used were commercial ATFs and CVTFs with proper-ties are listed in Table 1. For example, oils A and Bdemonstrate good compatibility for wet shiftclutches in ATs. Oils C and D are conventional typeATFs. CVTFs E and F are only for use in CVT, whichmay cause friction coefficient between the metals.

3.2 Ring-on-disc tribometer

Some tribometers [5, 7, 8] simulating the frictioncharacteristics between each contacting pair of theCVT have been proposed. These test methods weredesigned to evaluate the friction under conditionsof relatively high contact pressure (.50 MPa) suchas between the belt segment and the pulley.

Fewkes et al. [2] reported that the contactpressures between the segment and the band andbetween the bands were estimated to vary from 2to 10 MPa. To investigate the tribology of these inter-faces, a ring on disc tribometer was developed and aschematic of the test device is shown in Fig. 4. Thisdevice is designed to simulate low load contact anda wide range of slipping speed conditions such asbetween the belt segment shoulder and innermostband and between the bands. Test conditions (con-tacting pressures, slipping speed and oil tempera-ture) in the tribometer were selected to be insimilar lubrication regimes in actual CVT com-ponents. Note that the tribometer has a continuouscontact, whereas the contact force between the seg-ment and band varies as the belt rotates.

The trial upper ring was of the similar material (JISS45C) and hardness (HRC ¼ 30) as the band ofthe CVT. The surface was lapped, and threeequi-spaced radial oil grooves were cut around thering. The trial lower disc was of the same material(JIS SUJ-2) and hardness (HRC ¼ 58) as the belt seg-ment. The centre-line average surface roughness(Ra) of the disc was about 0.6 mm. Loads wereapplied by hydraulic pressure and the ring was inflat contact with the disc, as shown in Fig. 4. This

device is able to measure the friction coefficientunder conditions of low normal contact pressure,from 1 to 6 MPa, and slipping velocity ranging from0.003 to 0.55 m/s.

4 EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION

4.1 Torque capacity of test oils

Figure 5 shows the torque capacities of commercialATFs and CVTFs. The tests were conducted at a sec-ondary pulley force of 34.6 kN, primary pulley speedof 14 m/s, and a speed ratio of 2.36. The torquecapacity of oil C, a conventional ashless-type ATF,was normalized as a torque capacity of 1. Theactual value at the torque capacity of 1 was182Nm and repeatability was within +3 per cent.The torque for oil E was the greatest of all testedoils and 40 per cent greater than that of oil C. Thetorque capacities for oils A and B were of inter-mediate value.

Table 1 Properties of test oils

Test oils A B C D E FDescription ATF ATF ATF ATF CVTF CVTF

Viscosity (mm2/s)40 8C 32.2 36.6 33.4 34.9 38.1 30.3100 8C 7.48 7.18 7.45 6.81 7.20 7.00

Viscosity index 211 168 200 158 155 204CA 0.07 0.01 — — 0.12 0.05

Elements mass (%)Zn — — — 0.02 0.07 —P 0.03 0.03 0.03 0.02 0.06 0.04N 0.08 0.19 0.09 0.08 0.08 0.11

Cp (kJ/kg 8C) 100 8C 2.18 2.18 2.17 2.17 2.18 2.18r (kg/m3) 100 8C 805 809 816 814 812 806

Fig. 4 Schematic of ring-on-disc tribometer



4.2 Advantage of high torque capacity fluids

In our previous study [18], it was found that therequirements for the efficiency of the transmissionat low load were in contradiction with those formaximum torque capacity. However, improvingtorque capacity potentially brings another advantageother than application to large vehicles. Here, therelationship between torque capacity and pulleyclamping force with two oils having differenttorque capacity levels will be examined. The effectof pulley force on the torque capacity is shown inFig. 6(a). Oil E gave 15.3 per cent greater torquecapacity than oil A at 34.6 kN secondary pulleyload. When the secondary pulley force was reducedfrom 34.6 to 29.1 kN (by 15.8 per cent) for oil E, oilE obtained the same torque capacity level as oilA with a pulley force of 34.6 kN. In addition, theeffect of pulley force on transmission efficiency ata low load of 50 Nm drive torque is shown in

Fig. 6(b). The efficiency of oil E is less than oil A ifthey are compared at the same pulley force. How-ever, this comparison should not be conducted atthe same pulley force because the high torque oilfacilitates reduction the force. Transmission effi-ciency of oil E under 29.1 kN pulley force was esti-mated to be almost the same as oil A at 34.6 kN.

Therefore, applying higher torque capacity fluidsto CVT units could contribute to reduce the maxi-mum required pulley clamping force. This suggeststhat it is possible to have lower oil pump load,which results in the reduction of total power loss inthe CVT unit. If the oil pump flowrate was assumedto be 3.3 1024 m3/s, the oil pump load with oil Ecould be reduced by 0.14 kW in comparison withoil A. From the viewpoint of the improvement oftransmission efficiency, it is clarified that the priorityfor the performance of CVTF should be focused onthe higher transmittable torque capacity. In additionto giving higher torque capacity, anti-wear perform-ance between the belt and pulley is necessarilyimportant for the durability of CVT components.

4.3 Transmission efficiency of test oils

It is known that transmission efficiency decreases atan overdrive speed ratio [18]. The efficiency of eachoil under a secondary pulley force of 10.5 kN, primarypulley speed 24 m/s, drive torque 80 Nm, and speedratio 0.44 (overdrive) is shown in Fig. 7. This con-dition corresponds to the road load condition at avehicle speed of 130 km/h. The standard deviationof the results was found to be +0.05. Oil C showedthe highest efficiency though its torque capacitywas the lowest. There is the maximum difference of3 per cent in efficiency among all tested oils.

Fig. 5 Torque capacity of test oils (pulley clamping

force ¼ 34.6 kN and primary pulley speed ¼

14 m/s, I ¼ 2.36)

Fig. 6 Effects of pulley clamping force on (a) torque capacity (primary pulley speed ¼ 14 m/s and

I ¼ 2.36), and (b) transmission efficiency (primarypulley speed ¼ 14 m/s, I ¼ 2.36 anddrive

torque ¼ 50 Nm)



4.4 Calculation of friction loss in the belt by usingexperimental data

The reason for the difference in the efficiencybetween the oils will be considered. There may bethree significant factors influencing the efficiency inthese experiments. One is the friction loss causedby slipping between the belt and pulley and by slip-ping between the bands. The second is the belttorque loss [22] caused by the resistance to radialsliding when the belt segments are wedged intoand out of the pulleys. This loss could be scarcelyinfluenced by friction characteristics of test oilsbecause of little radial sliding speed. The third isthe loss from four bearings supporting the pulleyshafts. Assuming that friction coefficient in the roll-ing bearings varies from 0.01 to 0.03, there seems tobe little difference in the bearing loss with test oils.

If relative slipping occurred between componentsof the CVT, heat would be generated from frictionalwork. In order to quantify the friction loss in thebelt, the lubricant splash temperature from the pri-mary pulley was measured, Tout as shown in Fig. 3.Belt lubricant is supplied only on to the backside ofbelt, temperature Tin as also shown in Fig. 3. Further-more, the belt lubricant supply is completely separ-ated from oil lubricating the bearings and that usedto hydraulically load the pulleys. Presuming heatloss by radiation, conduction, and convection fromthe belt to the atmosphere is small compared withheat generation by slipping, the friction loss Qbelt inthe belt under a steady state can be experimentallydetermined by the following equation

Qbelt ¼ r Cp L (Tout Tin) (5)

where r is the density of oil, Cp specific heat atconstant pressure, L belt lubricant volumetric

flowrate, Tin belt lubricant inlet temperature, andTout the splash temperature from the primary pulley.

Note that a part of heat generated between the beltand pulley could be conducted into the pulleys,which would have implications for the results.

Figure 8 illustrates the friction loss calculatedusing experimental data with high, middle, and lowefficiency oils. The test condition was the same asthat shown in Fig. 7. The friction losses with eachoil increased slightly with increasing drive torque.Oil E which gave the lowest efficiency level of alltested oils exhibited the highest friction loss. Figure9 shows the fraction of estimated friction loss topower loss. The remainder from subtracting frictionloss from power loss is attributable to the belttorque loss and the pulley shaft support losses. InFig. 9, these losses are almost the same for thethree oils. Consequently, it is shown that thedifference in transmission efficiency between oilsdepending on the friction loss caused by slippingbetween the belt and pulley, the segment and band,and between the bands.

5 MODELLING OF FRICTION LOSS IN THE BELT

Amodel of friction loss arising from slipping betweeneach contacting pair of the CVT was developed.Assumptions in this analysis are as follows.

1. Friction losses between the belt segment side andthe pulley surface, the segment shoulder and theinnermost band, and between the bands will beconsidered. Other losses between the outermostband and the segment ear, the band sets and thepulley surface, and between the segments are neg-ligible, because the loads and slipping velocitiesfor these interfaces are relatively small.

Fig. 8 Friction loss in the belt (pulley clamping

force ¼ 10.5 kN, primary pulley speed ¼ 24 m/s,

and I ¼ 0.44)

Fig. 7 Transmission efficiency of test oils (pulley

clamping force ¼ 10.5 kN, primary pulley

speed ¼ 24 m/s, drive torque ¼ 80 Nm, and

I ¼ 0.44)



2. Relative slipping between the belt and the pulleyoccurs on the pulley with the smaller active arcwith the belt because there are larger gapsbetween the neighbouring segments on a smallerarc pulley, due to the smaller radius of curvature,and the gaps facilitate slipping [12]. Thus, slippingoccurs on the primary pulley in the case ofa reduction speed ratio and on the secondarypulley in the case of an overdrive speed ratio. Itis confirmed that the amount of depth-wear onthe primary pulley after finishing durability testunder a constant reduction speed ratio conditionwas more than 20 times higher than that on thesecondary pulley. These results may support thisassumption that slipping occurs mainly ona smaller active arc pulley.

3. The distribution of slipping between componentsis constant in the active arc part of the belt. Slip-ping velocities between the segment and theband and between the bands are determined bythe running conditions, but they are notinfluenced by friction coefficient of test oils.

4. Forces acting on components due to defor-mations when the belt edges move into and outof the pulley are neglected.

5. All inertia forces are negligible.

5.1 Friction loss between segment side and pulleysurface

The friction loss that occurs is based on the relativeslipping and contact load between each segmentside and the two pulley surfaces. The friction lossQsp between one segment and one pulley is thus

Qsp ¼ 2 msp Fsp Vsp (6)

where m is friction coefficient, F the normal load,V the relative slipping speed, and subscript sprefers to the segment side/pulley interface.

The friction coefficient msp is given by equation (7).Torque capacity can be determined as a function ofthe axial pulley clamping force and the friction coef-ficient [21].

Fax

cos (l)¼

Mmax

2 msp Rp(7)

where Fax is the axial clamping force on a pulley,Mmax the torque capacity of test oil, Rp the radiusto the rocking edge on the primary pulley, and,l half the pulley edge angle (118).

The axial clamping force on a pulley consists of thestatic clamp force which is calculated by multiplyingthe hydraulic pressure by the apply piston area andthe centrifugal force generated from the oil pressureinside the apply piston as it rotates [20].

Assuming that no slip occurs when the drivetorque is at no load, the relative slipping velocityVsp may be calculated from [23]

Vsp ¼Vs SR

100(8)

where Vs is the tangential velocity of the rockingedges of the segments on the primary pulley andSR is the slip ratio expressed as equation (4).

5.2 Friction loss between segment shoulder andinnermost band

The radius to the rocking edges of the segments ona pulley is about 1 mm inboard from the segmentshoulder with which the innermost band contacts.The innermost band slides relative to the segmentshoulder both in the arc part of the belt and in thestraight part of the belt. The friction loss Qbr basedon this phenomena is

Qsb ¼ Qsb-a þ Qsb-st

¼ msb Nsb-a Vsb-a þ msb Nsb-st Vsb-st

(9)

where N is normal load and subscripts sb-a and sb-strefer to the segment shoulder/innermost band inter-faces in the arc part of the belt and in the straight partof the belt, respectively.

5.3 Friction loss between the bands

The laminated band sets in this system arecomposed of 12 sheets of thin metal. The summationof the friction loss Qbb arising from relative slippingbetween neighbouring bands is given by

Fig. 9 The fraction of friction loss to power loss

(pulley clamping force ¼ 10.5 kN, primary

pulley speed ¼ 24 m/s, I ¼ 0.44, and drive

torque ¼ 80 Nm)



Qbb ¼ Qbb-a þ Qbb-st

¼ mbb X12n¼2

½Nbb-a(n) Vbb-a(n) þ mbb

X12n¼2

½Nbb-st(n) Vbb-st(n) (2 4 n 4 12)

(10)

where N is normal load and subscripts bb-a andbb-st refer to the band/band interfaces in the arcpart of the belt and the straight part of the belt,respectively.

And so, the total friction lossQbelt in the belt can beexpressed as follows

Qbelt ¼ Qsp þ Qsb þ Qbb (11)

5.4 Calculation of normal loads between segmentshoulder and innermost band and betweenblock and pulley

Figure 10 illustrates the distribution of the bandtensions and the segment compressive forces in thecase of the overdrive ratio. When two pulleys con-nected by a belt are at rest, the tensions in the straightparts of the belt are equal. If a torque is applied to thedrive pulley, amacro slip occurs between the belt andpulley, with the result that the tensions in the straightparts will be no longer equal [24]. Here, T1 is the bandtension in the upper side of the belt and T2 is that inthe lower side of the belt. T1 and T2 will be constantindependent of the drive torque. In addition to thedifference between two tensions (T22 T1), segmentcompressive force C1 acts in the upper side of thebelt and it transmits torque.

Next, equilibrium of forces acting on the segmentandon theband in the small active arc areaon the sec-ondary pulley is shown in Fig. 11. u being measuredfrom the point at which the belt edges start to contact

with the secondary pulley. T is the band tension atangle u and Tþ dT is the band tension at angleuþ du. Similarly, C and Cþ dC are the segment com-pressive force at angle u and uþ du, respectively.

Considering the equilibrium of forces betweencomponents in the active arc area of the secondarypulley, the following differential equations [24, 25]are obtained, neglecting second-order terms.

dT þ msbdNsb-a ¼ 0 (12)

dNsb-a (T mbV2b )du ¼ 0 (13)

dC þ 2msp dFsp þ msb dNsb-a ¼ 0 (14)

dNsba 2msp

m0dFsp C dumsV

2s du ¼ 0 (15)

From equations (12) to (15), with boundary con-ditions that when u ¼ 0, T ¼ T1, C ¼ C1

T ¼ (T1 mbV2b ) exp (msbu)þmbV

2b (16)

C ¼ C1 exp (m0u)þ (T1 mbV2b )

exp (msbu) exp (m0u)

þmsV2s exp (m0u) 1½ (17)

where C1and T1 are integral constants, mbVb2 and

msVs2 are centrifugal force per length on the band

and on the segment, respectively, and m0 ¼ msp/[sin(l)þ msp cos (l)] represents the compositefriction coefficient between the segment and pulley.The constants C1 and T1 vary with the input torque,and they will be solved through the followingprocedure.Substituting the term of dNsb2a in equation (12) intoequation (15)

dT ¼ 2msbmsp

m0dFsp Cmsb du

msV2s msb du ¼ 0 (18)

Fig. 10 Distribution of band tensions and segment

compressive force (I ¼ 0.44)

Fig. 11 Equilibrium of forces in the small active arc

area. (a) forces acting on the band. (b) forces

acting on the segment (I ¼ 0.44 on the

secondary pulley)



Considering the whole active arc on the secondarypulley, equation (18)maybe simplifiedasequation (19)

T2 T1 ¼ 2msbmsp

m0

Fax

cosl C1msbbs

msV2s msb bs (19)

The transmitted torque is given by

M

Rp¼ (T2 T1)þ C1 (20)

Fromequation (19)and (20), theconstantC1 isobtained

C1 ¼½(M=Rp)þ (msbmsp=m

0)(Fax=cosl)þmsV2s msbbs

(1 msbbs)

(21)

when u ¼ bs, T2 ¼ 0, and from equations (16) and (17),T1 and T2 will be solved.From equations (13) and (16), the normal load Nsb-a

between the segment shoulder/innermost band inthe active arc part is obtained

Nsb-a ¼ T1

msb

exp (msbbs) 1

þmbV

2b

msb

exp (msbbs) 1 (22)

where bs is the angle of active arc on the secondarypulley.

And so, from equations (13), (15), and (17), thenormal load Fsp between the segment and thepulley surface is given by

Fsp ¼1

2msp

T1½exp (m0bs) 1 C1½exp (m0bs) 1

mbV2b ½exp (m0bs) 1 msV

2s ½exp (m0bs) 1

(23)

Furthermore, the normal load Nbr-st between thesegment shoulder/innermostband in thestraightpart is

Nsb-st ¼ (T1 þ T2) tan (a) (24)

Where

a ¼ sin1 Rp Rs

X

5.5 Calculation of normal loads betweenthe bands

Regarding the normal load acting on the laminatedbands, Akagi Yoshidi [26] estimated the distribution

of the band tension for the laminated bands bymeasuring the band stress of the outermost bandseach time another layer was added. They foundthat the tension of each band was uniformlyshared. This implies that the laminated bands maybe treated as a single layered band which givestotal band tensions of T1 and T2 [25]. By employingequations (12) and (13), the equilibrium of loadsacting on the outermost band (n ¼ 12) may begiven by

dT (12)þ msbdNsba(12) ¼ 0 (25)

dNsb-a(12) ½T (12)mb(12)V2b du ¼ 0 (26)

From equations (25) and (26), when u ¼ 0 andT(12) ¼ T1(12), by using the same procedure asdescribed in solving equations (16) and (22)

T (12) ¼ ½T1(12)mb(12)V2b

exp (msbu)þmb(12)V2b (27)

Nsba(12) ¼ T1(12)

msb

exp (msbbs) 1

þmb(12)V

2b

msb

exp (msbbs) 1

(28)

Assuming that the tension of each band is uniformlyshared, the equilibrium of loads on the nth bandmaybe expressed by

X12i¼n

dT (i)þ msb dNsb-a(n) ¼ 0 (29)

dNbb-a(n)X12i¼n

½T (i)mb(i)V2b du ¼ 0 (30)

when u ¼ 0, T (n) ¼P12

i¼n T1(i)The normal load Nbb-a(n) acting on the nth band inthe arc part can be expressed by

Nbb-a(n) ¼X12i¼n

T1(i)

msb

½exp (msbbs) 1

þmb(i)V

2b

msb

½exp (msbbs) 1

(2 n 12) (31)

Here, if the initial tensions of each ring are equal,constant T1(n) is given by

T1(n) ¼13 n

12T1 (32)

On the other hand, the normal load Nbb2st(n)between the bands in the straight part is



Nbb-st(n) ¼X12i¼n

½T1(i)þ T2(i) tan (a)

(2 4 n 4 12) (33)

5.6 Calculation of relative slipping velocitybetween segment shoulder and innermostband

Figure 12 shows relative slipping velocity betweenthe belt and band. The segment shoulder is 1 mmoutboard from the rocking edge. The tangential vel-ocity Vss of the block shoulder on the secondarypulley is

Vss ¼ Vs 1þdR

Rs

(34)

On the pulley with the larger active arc, largerfrictional resistance occurs between the segmentsand band based on larger contacting area. There-fore, there seems to be no slipping between the seg-ments and band on the pulley with the larger activearc [19, 23]. The speed of band is treated as constantall around the belt. Thus, the tangential velocity ofthe innermost band V1 will be equal to that ofsegment shoulder on the pulley with the largeractive arc

V1 ¼ Vs 1þdR

Rp

(35)

The segments move ahead of the bands in thesmaller arc part of the belt. Therefore, the relative

slipping tangential velocity Vsb-a of the segmentshoulder to the innermost band in the arc part ofthe segment can be calculated from

Vsba ¼ jVss V1j ¼ Vs dR 1

Rs

1

Rp

(36)

where dR is the distance from the rocking edge to thesegment shoulder.

In the straight part of the belt, the bands run fasterthan the segments [19]. The speed of the shoulder onsegments will be the same as that of the belt. Relativeslipping tangential velocity Vsb-st of the segmentshoulder to innermost band in the straight part ofthe belt is given by

Vsb-st ¼ Vs dR

Rp, (I , 1),

Vsb-st ¼ Vs dR

Rs(I . 1)

(37)

5.7 Calculation of relative slipping velocitybetween the bands

Relative speed between the bands can be calculatedby the same procedure as described earlier.

Here, each ring thickness is t. Tangential velocityVn of the nth band is

Vn ¼ Vs 1þdR

Rpþ(n 1) t

Rp

(38)

And so, speed Vn21,out on the outer surface of the(n2 1)th band is

Vn1,out ¼ Vn1 1þt

Rs

(39)

The speed of the (n2 1)th band is faster than thatof the nth band on the pulley with the smaller activearc. Therefore, relative slipping tangential velocityVbb-a(n) between the bands in the arc part of thebelt can be expressed as

Vbb-a(n) ¼ jVn1,out Vnj ¼ Vs t

1

Rs

1

Rpþ

dR t

Rs Rpþ(n 2) t2

Rs Rp

(2 n 12)

(40)

On the other hand, relative slipping tangentialvelocity Vbb-st(n) between the bands in the straightpart of the belt is

Fig. 12 Relative slipping between segment shoulder

and innermost band, and between the bands

(I ¼ 0.44)



Vbb-st(n) ¼ Vs t

Rp(I , 1),

Vbbst(n) ¼ Vs t

Rs(I . 1) (41)

5.8 Definition of friction coefficient betweensegment and band and between the bands

To find the values of msb and mbb in the actual CVT isvery difficult. In this analysis, msb and mbb weredefined from the data obtained from the ring-on-disc tribometer described in section 3.2. Firstly,the frictional conditions in the actual CVT wereexamined in order to define the simulation in thetribometer. The estimated values of contactingpressure and relative slipping speed between thebelt and band and between the bands are listed inTable 2, for conditions of low contact pressure. Rela-tive slipping tangential velocities Vsb-a and Vbb-a(n)are estimated at 0.38 m/s and 0.075 to 0.079 m/s,respectively. The friction characteristics with oilsE, A, and C by the ring-on-disc tester are shown inFig. 13. The friction coefficients of msb and mbb weretaken as the friction coefficients at the same slipping

Fig. 13 Definition of friction coefficient between the

block shoulder and inner ring and between

the rings (contact pressure ¼ 3 MPa and oil

temperature ¼ 100 8C)

Table 2 Friction conditions in the actual CVT for each

contacting pair (pulley clamping force ¼ 10.5

kN, primary pulley speed ¼ 24 m/s, and I ¼ 0.44)

Contacting pairSegment shoulder/innermost band

Band/band(2 % n % 12)

P, contact pressure(MPa) 6.2 0.5–5.7V, relative slipping speed(m/s) 0.38 0.075–0.079

Fig. 14 Calculation results of CVT friction loss with (a) oil E, (b) oil A, and (c) oil C (pulley

clamping force ¼ 10.5 kN, primary pulley speed ¼ 11 m/s, and I ¼ 0.44)



tangential velocity in the tribometer. Although thetested contact pressure at 3 MPa was in the middleof the range (Table 2), it was confirmed that thedependency of friction coefficient on contactpressure is very small, when pressure is ,6 MPa.

From the results in Fig. 13, higher efficiency oilshows lower friction coefficient. This implies that itis effective for further improvement of efficiency tolower the friction coefficient under a lower contactcondition. Inevitably, the friction coefficient undera high contact such as between the segment andpulley should be higher, both for being applicableto large vehicles and for reduction of the maximumpump load, as discussed previously.

6 CALCULATION RESULTS AND DISCUSSION

The friction loss in the belt was calculated using themodel proposed above and compared them with theexperimental data. Figure 14 shows calculation

results of CVT friction losses with oils E, A, and C of10.5 kN clamping force, primary pulley speed of11 m/s, and an overdrive speed ratio of 0.44. Thiscondition corresponds to a vehicle speed of 60 km/h.In this relatively low-speed case, there seems to begood agreement between the calculated andmeasured friction loss in the belt on the conditionswhen the drive torque was up to 60 Nm. And then,the calculated values diverge from experimentalones with the increase of drive torque. Slippingbetween the belt and pulley rises with increasingdrive torque. Consequently, heat generation basedon slipping behaviour in this regime will becomemore significant rather than other interfaces, suchas between the segments and band and betweenthe bands. Heat generated on the segment sidemay partially conduct to the pulley. In this study,splash temperature from the belt was measured atthe position shown in Fig. 3. Therefore, the splashtemperature was not as high as expected due to theadditional conductive heat path, which accounts

Fig. 15 Calculation results of CVT friction loss with (a) oil E, (b) oil A, and (c) oil C (pulley

clamping force ¼ 10.5 kN, primary pulley speed ¼ 24 m/s, I ¼ 0.44)



for the difference between calculated and experimen-tal values for the friction loss at high drive torque.

The calculation results with a high-speedcondition of 24 m/s are shown in Fig. 15. It can beseen that the calculated and measured results aresimilar but with less agreement than Fig. 14, givingabout 20 per cent more friction at a lower drivetorque. The reason for the difference between thesevalues will be considered as follows. In the case ofhigh speed and overdrive speed ratio, the resistanceto the radial sliding may become more significantthan that at lower speed when the belt is edgedinto and out of the primary pulley. In fact, thetorque loss (drive torque at no load) with a speed of24 m/s was about 2.2 times higher than that at11 m/s. This action could lead to the bending forcebeing imposed on the ring in addition to tensions,which is not considered in the model. As a result,experimental results were higher than predicted bythe model. On the other hand, the experimentalvalues with oils E and C are lower than the calculatedones at more than 80 Nm drive torque. This differ-ence may be caused by the effect of heat path tothe pulleys occurred in these experiments, asdescribed earlier. Consequently, results calculatedby this model are found to be similar to thoseobtained by experimental procedure, which justifiesits use of this model.

7 CONCLUSIONS

The influence of metal–metal friction characte-ristics on the transmittable torque capacity and theefficiency of the CVT of a metal pushing V-belt typewere experimentally and analytically investigated.The experiments were carried out using a CVT testrig unit with a belt assembly and pulley, but it isnot a whole gearbox. Transmission efficiency wasevaluated varying the clamping force on the second-ary pulley from 10.5 to 34.6 kN, and the speed ratiofrom 2.36 (reduction ratio) to 0.44 (overdrive ratio).In order to analyse the metal–metal friction charac-teristics under conditions of low contact pressure,such as between the belt and band and betweenthe bands, a ring-on-disc tribometer was developed.

The advantage of high transmittable torquecapacity fluids for CVT efficiency was estimated.Fluids giving a higher transmittable torque capacityhave a potential for decreasing the maximumrequired pulley clamping force, which results in thereduction of total power loss in the CVT unit. Fromthe viewpoint of transmission efficiency, the priorityfor performance of CVT fluids should be focused onthe improvement of torque capacity. In addition togiving higher torque capacity, anti-wear

performance between the belt and pulley is necess-arily important for the durability of CVTcomponents.

Transmission efficiency decreased at an overdrivespeed ratio and lower load condition. The maximumdifference in the efficiency with all tested oils at thesame pulley clamping force reached 3 per cent. Toclarify the difference between test oils, the frictionloss in the belt was experimentally quantified. Thereminder subtracting friction loss from power lossseems to be attribute to the belt torque loss due tothe radial resistance when the belt is edged intoand out of the primary pulley and the losses fromthe bearings supporting the pulley shafts. Theselosses were almost the same for tested oils. Asa result, it was shown that the difference in trans-mission efficiency with oil type depends on the fric-tion loss caused by slipping between the belt andpulley, the segment and band, and between thebands.

Furthermore, the modelling of friction loss arisingfrom slipping behaviour between each contactingpair was developed. It was shown that there is goodagreement between the calculated and experimentalresults in the case of a relatively lower speed on con-ditions when the drive torque was up to 60 Nm. Inthe case of a higher speed and a lower drive torque,experimental data give about 20 per cent larger fric-tion power loss than calculation due to the resistanceto radial sliding at the inlet and outlet of the pulleys.Therefore, results calculated by this model are foundto be similar to those obtained by experimentalprocedure, which justifies its use of the model.

REFERENCES

1 Murakami, Y. Half a century of automatic transmissionsfor vehicles. J. Jpn. Soc. Tribologis., 2005, 50(9), 665–670.

2 Fewkes, R., Gunsing, J., and Sumiejski, J. L. Lubricantsas a construction element in the VDT push-belt CVTsystem. SAE paper 932848, 1993.

3 Mitsui, H. Trends and requirements of fluids for metalpushing belt type CVTs. J. Jpn. Soc. Tribol., 2000, 45(6),13–18.

4 Kato, M., Igarashi, H., and Deshimaru, J. Performanceof a new generation belt CVT lubricant. In Proceedingsof the ’98 International Symposium Tribology onvehicle transactions, Yohohama, 1998, pp. 128–131.

5 Ishikawa, T., Murakami, Y., Yautibara, R., and Sano, A.Theeffect ofbelt driveCVTfluidon the frictioncoefficientbetween metal components. SAE paper 972921, 1997.

6 Kapa, Ph., Martin, J. M., Blanc, C., and Georges, J. M.Antiwear mechanism of ZDDP in the presence ofCalcium Sulfonate Detergent. Trans. ASME, 1981, 103,488.

7 Sato, T. Mechanism of additives in belt type CVTcontact area. In Proceedings of International TribologyConference, Nagasaki, 2000, vol. 2, pp. 1379–1384.



8 Narita, K., Abe, A., Deshimaru, J., and Hara, S.Improvement of torque capacity of metal V-belt typeCVT fluids. SAE paper 2003-01-1997, 2003.

9 Minami, I., Ichihashi, T., Kubo, T., Nanao, H., andMori, S. Tribochemical approach toward mechanismfor synergism of lubricant additive on antiwear and fric-tion reducing properties. Synopses of 31st Leeds-LyonSymposium on Tribology, Leeds, 2004, Vol. VIII(iii).

10 Wada, H. and Iwanami, I. Xanes study on boundarylubrication films generated from belt-drive continu-ously variable transmission fluids. Synopses of Inter-national Tribology Conference, Kobe, 2005, pp. 319.

11 Micklem, J. D., Longmore, D. K., and Burrows, C. R.Modelling of the steel pushing V-belt continuously vari-able transmission. Proc. Instn Mech. Engrs, Part C:J. Mechanical Engineering Science, 1994, 208, 13–27.

12 Kobayashi, D., Mabuchi, Y., and Kato, Y. A study onthe torque capacity of a metal pushing V-belt forCVTs. SAE paper 980822, 1998.

13 Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., andSimner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushingV-belt continuously variable transmission. Part 1:torque losses due to band friction. Proc. Instn Mech.Engrs, Part D: J. Automobile Engineering, 2004, 218,1269–1280.

14 Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., andSimner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushingV-belt continuously variable transmission. Part 2:pulley deflection losses and total torque loss validation.Proc. Instn Mech. Engrs, Part D: J. Automobile Engin-eering, 2004, 218, 1283–1293.

15 Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., andSimner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushingV-belt continuously variable transmission. Part 3:belt slip losses. Proc. Instn Mech. Engrs, Part D:J. Automobile Engineering, 2004, 218, 1295–1306.

16 Lebrecht, W., Preiffer, F., and Ulbrich, H. Analysis ofself-induced vibrations in a pushing V-belt CVT. InProceedings of International Continuously Variableand Hybrid Transmission Congress, University ofCalifornia, USA, 2004.

17 Poll, G., Kruse, T., and Meyer, C. Prediction of losses inbelt-type continuously variable transmission due to slid-ing belt and discs. Proc. IMechE, Part J: J. EngineeringTribology, 2006, 220(J3), 235–243.

18 Narita, K., Deshimaru, J., and Yamada, H. Perform-ance of lubricants for a metal V-belt type CVT. InProceedings of JSME International Conference onMotion and power transmissions, Fukuoka, 2001, pp.730–735.

19 Ide, T. Metal V-belt used for continuously variabletransmission for passenger car. J. SAE Jpn, 2000,54(4), 4–9.

20 Morgan, C. and Fewkes, R. Development of a beltCVT fluid test Procedure using the VT20/25E belt boxfor the DEX-CVT specification. SAE paper 2002-01-2819, 2002.

21 Pennings, B., Drogen, M. V., Bansma, A., Ginkel, E. V.,and Lemmens, M. Van Doone CVT fluid test: a testmethod on belt-pulley level to select fluids forpush belt CVT appilication. SAE paper 2003-01-3253,2003.

22 Tanaka, H. Fundamental course of automatic technol-ogy. J. SAE Jpn, 2000, 54(3), 81–90.

23 Takahara, H. and Abo, K. Heat generation analysisof a metal V-belt for CVTs. J. SAE Jpn, 2000, 54(4),16–20.

24 Stolarski, T. A. Tribology in machine design, 1990, pp.128–129 (Batterworth-Heinemann).

25 Katsuya, A., Sato, T., and Kurimoto, K. Analysis ofbehavior of CVT belt. In Proceedings of SAE of JapanConference, 1989, vol. 891, pp. 13–18.

26 Akagi, H. and Yoshida, H. A study of the forces actingon the layered rings of a metal pushing V-belt forCVT. HONDA R&D Technical Review, 1999, vol. 11(1),pp. 101–106.

BIBLIOGRAPHY

Micklem, J. D., Longmore, D. K., and Burrows, C. R.Belt torque loss in a steel V-belt continuouslyvariable transmission. Proc. Instn Mech. Engrs, 1994,208, 91–97.

APPENDIX

Notation

C compressive force in the belt (N)Cp specific heat of test oil (kJ/kg 8C)dR distance from rocking edge of segment

to segment shoulder (m)Fax axial force on the secondary pulley (N)Fsp normal load between belt segment side

and pulley surface (N)I speed ratioM, Mmax torque, transmittable torque capacity

(Nm)ms, mb mass per unit length of a segment and

a band, respectively (kg/m)n number of bands, n ¼ 1–12V pulley rotated speed (r/min)Nsb-a normal load between segment

shoulder and innermost band in thearc part of the belt (N)

Nsb-st normal load between segmentshoulder and innermost band in thestraight part of the belt (N)

Nbb-a normal load between bands in the arcpart of the belt (N)

Nbb-st normal load between bands in thestraight part of the belt (N)

L belt lubricant flow rate (m3/s)Qbelt total friction loss in the belt (kW)Qsp friction loss between belt segment side

and pulley surface (kW)Qsb-a friction loss between segment shoulder

and innermost band in the arc part ofthe belt (kW)



Qsb-st friction loss between segment shoulderand innermost band in the straightpart of the belt (kW)

Qbb-a friction loss between bands in the arcpart of the belt (kW)

Qbb-st friction loss between bands in thestraight part of the belt (kW)

R radius to rocking edge of segments ona pulley at a specified speed ratio

r band thickness(m)SR slip ratio (per cent)T band tensions (N)Tin belt lubricant supply temperature (8C)Tout splash temperature from the primary

pulley (8C)Vs, Vb velocity of belt and band, respectively

(m/s)Vsp relative slipping tangential velocity of

segment side to pulley surface (m/s)Vsb-a relative slipping tangential velocity of

segment shoulder to innermost bandin the arc part of the belt (m/s)

Vsb-st relative slipping tangential velocity ofsegment shoulder to innermost bandin the straight part of the belt (m/s)

Vbb-a relative slipping tangential velocitybetween bands in the arc part of thebelt (m/s)

Vbb-st relative slipping tangential velocitybetween bands in the straight part ofthe belt (m/s)

X distance from centre of the primarypulley to that of the secondarypulley (m)

a angle shown in Fig. 2 (8)b active arc angle on a

pulley (8)l half the pulley wedge

angle (8)r density of test oil (kg/m3)msp coefficient of friction between belt

segment side and pulley surfacemsb coefficient of friction between segment

shoulder and innermost bandmbb coefficient of friction between bandsm0 composite coefficient of friction

between belt segment side and pulleysurface

Subscripts

p primary (drive) pulleys secondary (driven) pulley1 upper part of the belt2 lower part of the belt



Karakteristike trenja metala po metalu i prenosna efikasnost CVT varijatora sa metalnim V kaišem K Narita1,2* i M Priest2 1Laboratorija za istraživanje podmazivanja, Idemitsu Kosan Co., Ltd. Ichihara-shi, Chiba, Japan 2Tribološki institut, Mašinski fakultet, Univerzitet u Lidsu, GB

Rezime: Uticaj karakteristika trenja metala po metalu na efikasnost lančanih varijatora (CVT – Continuously Variable Transmission) sa metalnim V kaišima (lancima) je eksperimentalno ispitana korišćenjem komercijalnog varijatora sa metalnim V kaišem i aksialno pomerljivim remenicama sa V žlebom. Eksperimenti ispitivanja prenosne efikasnosti su sprovedeni menjanjem aksijalne sile na gonjenoj remenici sa 10,5 do 34,6 kN i prenosnim odnosom od 2,36 (redukcija) do 0,44 (multiplikacija). U cilju analize karakteristika trenja metala po metalu svakog para u kontaktu, konstruisan je tribometar “prsten na disku”. Maziva koja se koriste kod ovih varijatora omogućavaju veću sposobnost prenosa obrtnog momenta, a takođe imaju i potencijal smanjenja maksimalno potrebne pritisne aksijalne sile na remenicama čime se smanjuju ukupni energetski gubici u varijatoru. Prenosna efikasnost varijatora se smanjuje kod multiplikacijskog prenosnog odnosa i smanjenog opterećenja. Maksimalna razlika u efikasnosti između svih komercijalnih automatskih varijatora i mazivnih ulja testiranih pri istoj pritisnoj aksijalnoj sili na remenici dostigla je 3%. Ova veličina zavisi od frikcionih gubitaka koji su uzrokovani klizanjem između segmenata lanca i diskova remenica, segmenata lanca i metalnog kaiša, i između metalnih traka u kaišu. Osim ovoga, napravljen je i matematički model frikcionih gubitaka u lancu. Rezultati dobijeni proračunom pomoću ovog modela su slični onima koji su eksperimentalno dobijeni.

Ključne reči: lanac lančanog varijatora, sposobnost prenosna obrtnog momenta, prenosna efikasnost, frikcioni gubici, maziva.

1 UVOD Broj putničkih automobila u SAD i Japanu koja imaju automatski prenos je već preko 80%, a takođe postoji i blagi porast u Evropi. U Evropi je 2002. [1] dostigao 20% , iako je početkom 90-tih taj broj bio manji od 10%. Automatska transmisija (AT) može da se svrsta u dve kategorije prema tome dali se promena brzine ostvaruje pomoću prenosnika sa zupčanicima ili prenosnika bez zupčanika. Prva kategorija su prenosnici sa stepenastim prenosnim odnosom, kod kojih se obično nalaze setovi sa planetarnim zupčanicima i kvačilima koja služe kao mehanizam za promenu brzina. Primer drugog tipa su varijatori sa metalnim V-kaišima i aksialno pomerljivim koničnim diskovima remenica. Lančani varijatori su atraktivni zato što daju dobre prenosne performance uz veliki komfort prilikom vožnje (nema primetne i nagle promene prenosnog odnosa zato što nema ni stepenaste promene prenosnog odnosa jer nema zupčanika). Dodatna prednost je to što lančani varijatori omogućavaju motoru da radi pri maksimalnom obrtnom momentu radi postizanja optimalnih

performansi, ili pri nižim brzinama motora radi1 štednje goriva [2]. Zbog toga raste upotreba lančanih varijatora još od kada je prvi varijator sa čeličnim lancem ugrađen u jednolitarske automobile 1987. Osim toga varijatori se sad ugrađuju i u snažnije automobije sa zapreminom motora od 2 i više litara. Zbog potrebe podmazivanja varijatora, ulja korišćena kod automatske transmisije (ATF – Automatic Transmission Fluids) su korišćena i kod varijatora i kod automatske transmisije sve do druge polovine 90-tih. Sa proširenjem upotrebe na veća vozila, ulja za lance (CVTF – Continuously Variable Transmission Fluid) su trebala da omoguće i veću sposobnost prenosa obrtnog momenta i odlične antihabajuće performance između lanca i remenica [3]. Ovo je dovelo do specifičnih formulacija za upotrebu varijatora. Istraživanja o efektima karakteristika ulja za podmazivanje na sposobnost prenosa obrtnog momenta varijatora počela su sredinom 90-tih. Kato [4] je procenio frikcione karakteristike koje * Autor za kontakt: School of Mechanical Engineering, University of Leeds, Woodhouse Lane, Leeds LS2 9JT, UK. email: [email protected]

Karakteristike trenja metala po metalu i prenosna efikasnost varijatora sa metalnim V kaišem

JET169 © IMechE 2007 Proc. IMechE Vol. 221 Part J: J. Engineering Tribology 97

utiču na sposobnost prenosa obrtnog momenta i fenomen prijanjanja-klizanja između kontakta metal-metal uz pomoć korišćenja dvoravanske mašine za testiranje trenja. Ishikawa [5] je objasnio da se filmovi u zoni kontakta napravljeni od cink-ditio fosfat (ZnDTP) aditiva doprinose poboljšanju sposobnosti prenosa obrtnog momenta između lanca i diska. Osim toga, pronađeno [6] je da ZnDTP u prisustvu kalcium-sulfornog deterdženta može da oformi tvrđe antihabajuće filmove na dodirnim tribo površinama u poređenju sa situacijom kada se koristi samo ZnDTP. Individualni efekti tipičnih aditiva korišćenih kod ATF i CVTF i kombinovani efekti [7] sa antihabajućim agentom (ZnDTP) na koeficijent trenja su istraženi korišćenjem testera naizmeničnog kretanja sa loptom na disku. Od 2000. godine, pokušaji poboljšanja prenosne sposobnosti obrtnog momenta sredstvima sa podmazujućim uljima koja ne koriste ZnDTP agent su urodila plodom [8] i detaljno analizirana[9, 10] . Predloženi su i neki matematički modeli koji proučavaju mehanizam klizanja metala kod varijatora. Micklem [11] je predložio frikcioni model koji se bazira na elasto-hidrodinamičkoj teoriji i pokazano je da tu postoji dobra saglasnost između izmerenih i izračunatih kliznih vrednosti između lanca i remenice. Kobayashi [12] je analizirao mehanizam klizanja fokusirajući se na distribuciju praznina koje se pojavljuju između segmenata, i simulaciju koja predviđa granicu klizanja obrtnog momenta kod koje se koeficijent klizanja naglo povećava. Ova istraživanja kod modeliranja su privukla pažnju i na istraživanje ponašanja klizanja kod redukcionih prenosnih odnosa i maksimalnom obrtnom momentu, ali ona dovedena u vezu sa efikasnošću prenosa varijatora kod realnih radnih uslova kao kad se koriste multiplikatorski prenosni odnosi. Ovaj niz objavljenih radova od strane Akehurst [13 - 15] detaljizira istraživanje gubitaka koji se javljaju u varijatoru zbog relativnog kretanja između kaiša i segmenata i između remenica i kaiša čiji su uzrok deformacije remenica. U nekim trenucima prilikom rada i guranja V lanca varijatora, javljaju se i neobjašnjivi šumovi. Lebrecht [16] je napravio simulacioni model koji sadrži elastični model svežanja diskova kao i detaljno objašnjenje kaiša sa ciljem proučavanja pojave nastajanja šuma. Sa druge strane, mnogo je važniji zadatak mazivnih ulja za varijatore da poboljšaju efikasnost iskorišćenja goriva zbog nadolazećih regulacija oko emisije ugljen dioksida. Postoje nekoliko naučnih radova koji proučavaju uticaj mazivnih ulja na prenosnu efikasnost varijatora. Razlika u

efikasnošću prenosa u zavisnosti od mazivnog ulja je pronađena u našem prethodnom istraživanju [18], ali razlog za ovu razliku još nije do kraja utvrđen. Ciljevi ove studije su istraživanje efekata karakteristika trenja metal-metal na efikasnost varijatora sa metalnim V kaišem, pod različitim radnim uslovima koristeći stvarni varijator, i razvijanje računskog modela za određivanje frikcionih gubitka u vrarijatoru. 2 KONSTRUKCIJA VARIJATORA SA METALNIM V

LANCEM Na slici 1 prikazan je opšti sklop varijatora sa metalnim V kaišem [11, 19], koji je sastavljen od dve remenice sa V žlebom povezane sa čeličnim kaišem (lancem). Obrtni moment se sa motora prenosi na gonjenu remenicu uz pomoć metalnog lanca. Promena prenosnog odnosa može se ostvariti promenom relativne širine žleba remenice uz pomoć hidraulične kontrole. Sklop kaiša (lanca) se sastoji od oko 400 pljosnatih segmenata i tankih laminiranih prstenastih setova, koji su sastavljeni u blokove sa leve i desne strane. Svaki set traka sastoji se od 9 ili 12 tankih traka radi maksimalne fleksibilnosti kada se kaiš kreće oko remenice, ispupčenje sa prednje strane segmenta stupa u kontakt sa udubljenjem sa zadnje strane drugog segmenta, i onda taj segment gura sledeći i tako redom. Kontakt između segmenata kaiša i remenice kako se kaiš kreće oko remenice se ostvaruje na rastojanju duž linije koja je paralelna sa osom remenice i zove se kinematska ivica. Rastojanje od sredine remenice do kinematske ivice definiše se kao kinematski radius pri određenom prenosnom odnosu.

Slika 1 Konstrukcija lančanog varijatora sa

metalnim V lancem



Takođe se zna da sposobnost prenosa obrtnog momenta zavisi od frikcionih karakteristika između bočnih strana segmenata i površine diska remenice. Osim toga smatra se i da se dodirne površine između segmenata i remenice nalaze u uslovu graničnog podmazivanja [8]. Tribološke veličine između segmenata i remenice, segmenata i trake, i između traka mogu takođe da imaju veliki uticaj na ukupnu efikasnost prenosa. Šematski prikaz remenog sklopa prikazan je na slici 2. U ovom radu regije između 1-2, 2-3, 3-4, i 4-1 nazivaju se pravi deo gornje strane kaiša (lanca), luk na gonjenoj remenici, pravi deo donje strane kaiša, i luk na pogonskoj remenici, respektivno. 3 EKSPERIMENTALNE PROCEDURE 3.1 Testiranje varijatora na radnom stolu Parametri koji utiču na sposobnost prenosa obrtnog momenta i efikasnost varijatora su procenjeni korišćenjem sklopa za testiranje varijatora kao što je prikazano na slici 3. Ovaj sklop je konstruisan za ocenjivanje prenosnih performansi koje su uzrokovane frikcionim karakteristikama između esencijalnih delova varijatora - kaiša i remenice; nije testiran ceo sklop prenosnika. Sklop metalnog kaiša (lanca) i remenice su uzeti iz komercijalnog varijatora i stavljeni u kutiju konstruisanu za ovo ispitivanje. Ovaj varijator je dizajniran za vozilo koje ima radnu zapreminnu motora od 2 l. Prilikom ispitivanja elektromotor pokreće pogonsku remenicu koja prenosi obrtni moment preko metalnog kaiša gonjenoj remenici. Izlazna snaga na gonjenoj remenici se absorbuje pomoću dinamometra. Dinamometar je tako programiran da se obrtni moment prenosnika može podesiti na odgovarajuće vrednosti.

Slika 2 Sekcije kaiša

Transduktori su povezani sa motorom i izlaznim vratilima. Merenja su izvedena tako što je menjana aksijalna pritisna (upravljajuća) sila na gonjenoj remenici od 10,5 do 34,6 kN. Vrednosti upravljajuće sile u stvarnim kolima su određene na osnovu brzine kretanja vozila. Na primer, sila od 34,6 kN predstavlja potrebnu silu upravljanja da bi varijator u ovoj studiji mogao da prenese maksimalni obrtni moment od 200 Nm. Tokom svih merenja, ulje za podmazivanje je direktvo prskano sa spoljne strane kaiša kroz cevćice za podmazivanje kaiša i njegova temperatura je konstantno držana na 100°C. Protok ulja za podmazivanje je podešen na 3,3x10-5 m3/s. Da bi se pratila temperatura na pogonskoj remenici, postavljen je termopar na rastojanju od ≈5 mm od kaiša, takođe prikazano na slici 3. Svi podaci u ovom sistemu su automatski mereni učestalošću od 60 Hz i računata je srednja vrednost za svaku sekundu. Merenja su ponovljena tri puta za svako ulje. 3.1.1 Efikasnost prenosa Prenosna efikasnost varijatora je

Prenosna efikasnost = Ω𝑠×𝑀𝑠Ω𝑝×𝑀𝑝

(1)

Gde je Ω𝑝 ugaona brzina pogonske remenice, 𝑀𝑝 obrtni moment na pogonskoj remenici, 𝑀𝑠 obrtni moment na gonjenoj remenici. Gubici snage varijatora su:

Gubici snage = 2𝜋Ω𝑝×𝑀𝑝−Ω𝑠×𝑀𝑠60000

[𝑘𝑊] (2) Gubitak snage dat u jednačini (2) uključuje gubitke usled klizanja koji se javljaju između svake komponente u kontaktu u varijatoru, gubitke obrtnog momenta u kaišu prouzrokovane zbog otpora koji potiče od radijalnog otpora i gubitke u četiri ležaja koji drže vratila sa remenicama. Gubitak usled klizanja u celom gubitku snage može se kvantifikovati kao gubitak usled trenja usled eksperimentalne procedure opisane u delu 4.4. Prenosni odnosi se nalaze u rangu od 2,36 do 0,44 uz pomoć kontrolisanja hidrauličkog pritiska radnog fluida kojim se snabdeva pogonska remenica, uz održavanje pritiska na gonjenoj remenici



konstantnim. Prenosni odnos 2,36 je redukcioni odnos, a 0,44 je multiplikacioni odnos. Prenosni odnos se izražava kao

𝐼 = Ω𝑝Ω𝑠

(3) 3.1.2 Sposobnost prenosa obrtnog momenta Postoji pojava klizanja zbog relativnog kretanja između kaiša i remenice, između segmenata kaiša i njegovih traka, i između traka kaiša. Pogotovu, veliko klizanje između kaiša i remenice može da prouzrokuje značajno oštećenje metalnom kaišu sa bočne strane i oštećenje remenice zato što je kontaktni pritisak između remenice i kaiša procenjen na ≈ 100 MPa [2], ova vrednost je verovatno više od deset puta veća od one između segmenata i traka kaiša. U uslovima rada pod opterećenjem, varijator radi pod malo smanjenim prenosnim odnosom. Ova razlika je poznata kao koeficijent klizanja između kaiša i remenice, (SR – Slip ratio – koeficijent klizanja), i on se definiše preko (Van Doorne-sove transmisije) [20].

𝑆𝑅 = (𝐼𝐿−𝐼𝑁)𝐼𝑁

× 100 [%] (4)

Gde je 𝐼𝐿 prenosni odnos pod punim radnim opterećenjem, 𝐼𝑁 je prenosni odnos varijatora kada radi bez opterećenja. Pod uslovima prenosa manjeg obrtnog momenta, postoji veoma malo povećanje koeficijenta klizanja. Koeficijent klizanja naglo raste negde prilikom četvrtine od punog opterećenja, što odgovara tranzicionoj tački, kod koje pritisnuti ogranak i labavi ogranak menjaju strane [21]. Od onda pritisne sile deluju na kaiš sa smerom unapred i koeficijent klizanja se polako povećava. Kada obrtni moment koji prenosi varijator dostigne granicu klizanja, događa se makro-klizanje i više nije moguće preneti obrtni moment. Poznato je da se ovo makro-klizanje događa u uslovima kada koeficijent klizanja dostigne vrednost 4 - 6 % [12]. Testovi sposobnosti prenosa obrtnog momenta su vršeni pri stabilnoj brzini pogonske remenice od 14 m/s i prenosnom odnosu na 2,36. Obrtni moment na ulazu je postepeno povećavan u vrednosti od 5 Nm svakog minuta sve do znatnog povećanja klizanja. Jednom kada je koeficijent klizanja dostigao graničnu vrednost, opteećenje na dimanometru je naglo uklanjano da bi se izbeglo katastrofalno oštećenje remenica i kaiša.

Slika 3 šema sklopa za testiranje varijatora



Sposobnost prenosa obrtnog momenta tog ulja za podmazivanje je onda definisan kao obrtni moment koji je prenošen u trenutki kada je koeficijent klizanja dostigao vrednost od 3%, tako da se varijator nebi značajno oštetio. Bilo koja površinska oštećenja imala su veoma malo uticaja na rezultate zato što su prilikom ponovljenih merenja odstupanja bila ±3%. 3.1.3 Testurana ulja za podmazivanje Ulja za automatsku transmisiju (ATF – Automatic Transmission Fluid) su prvobitno korišćena za podmazivanje lančanih varijatora sve do druge polovine 90-tih. Krajem 90-tih na tržištu su se pojavila ulja za varijatore (CVTF – Continuously Variable Transmission Fluid). Ulja koja su korišćena prilikom ovog testiranja su komercijalna ATF i CVTF ulja sa karakteristikama datim u tabeli 1. 3.2 Tribometar “Prsten – na – disku” Na raspolaganju je bilo nekoliko tribometara [5, 7, 8] koji simuliraju frikcione karakteristike svakog dodirnog para u varijatoru. Ove test metode su konstruisane radi procene trenja pod uslovima relativno velikog kontaktnog pritiska (>50 MPa) koji se javlja između segmenta kaiša i remenice. Fewks [2] je pronašao da je kontaktni pritisak između segmenta i trake i između traka metalnog kaiša varira od 2 do 10 MPa. Da bi se ispitala tribologija ovih sklopova , razvijen je tribometar “prsten – na – disku” a šematski prikaz ovog uređaja za ispitivanje prikazan je na slici 4. Ovaj uređaj je konstruisan radi simulacije kontakta sa malim opterećenjem i uslova sa širokim rasponom brzina klizanja koji se javljaju između ramena

Slika 4 šematski prikaz tribometra “prsten-na-

disku” segmenata kaiša i unutrašnje strane kaiša i između traka unutar metalnog kaiša. Ovi uslovi ( kontaktni pritisak, brzina klizanja i temperatura ulja) u tribometru su selektovani da budu u sličnim režimima podmazivanja koji se javljaju u komponentama stvarnog varijatora. Treba napomenuti i to da tribometar ima kontinualni kontakt , dok je kontaktna sila između segmenata i traka kaiša promenljiva kako se kaiš kreće oko remenice. Probni gornji prsten je od sličnog materijala (JIS S45C) i tvrdoće (HRC = 30) kao i traka kaiša u varijatoru. Površina je lepovana, i napravljena su tri radijalna žleba oko prstena za dovod ulja. Probni donji prsten je od istog materijala ( JIS SUJ-2 ) i tvrdoće (HRC = 58) kao i segment lanca. Hrapavost Ra diska je oko 0,6 µm. Opterećenja su ostvarena uz pomoć hidrauličkog pritiska i prsten je bio u ravanskom dodiru sa diskom, kao što je prikazano na slici 4. Ovaj uređaj je sposoban da meri koeficijent trenja pod uslovima nižeg normalnog kontaktnog pritiska od 1 do 6 MPa, i brzine klizanja od 0,003 do 0,55 m/s.

Tabela 1 Karakteristike testiranih ulja Opis testiranih ulja A

ATF B

ATF C

ATF D

ATF E

CVTF F

CVTF Viskozitet [𝑚𝑚2 𝑠⁄ ] 40 32,2 36,6 33,4 34,9 38,1 30,3 100 7,48 7,18 7,45 6,81 7,20 7,00 Indeks viskoziteta 211 168 200 158 155 204 CA 0,07 0,01 - - 0,12 0,05 Masa elemenata [%]

Zn - - - 0,02 0,07 - P 0,03 0,03 0,03 0,02 0,06 0,04 N 0,08 0,19 0,09 0,08 0,08 0,11 𝐶𝑝 [𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ ] 100

2,18 2,18 2,17 2,17 2,18 2,18

𝜌 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ] 100 805 809 816 814 812 806



4 EKSPERIMENTALNI REZULTATI I ANALIZA 4.1 Sposobnost prenosa obrtnog momenta testiranih ulja Na slici 5 prikazana je sposobnost prenosa obrtnog momenta komercijalnih ATF i CVTF. Testovi su izvršeni sa aksijalnom silom na gonjenoj remenici od 34,6 kN, obimnom brzinom pogonske remenice od 14 m/s, i prenosnim odnosom 2,36. Sposobnost prenosa obrtnog momenta ulja C, konvencionalnog bezpepelnog ATF ulja je normalizovana da ima sposobnost vrednosti 1. Stvarna vrednost sposobnosti prenosa obrtnog momenta koja odgovara ovoj jedinici je 182 Nm a odstupanje je bilo u granicama od ±3%. Sposobnost prenosa obrtnog momenta ulja E je bila najveća od svih testiranih ulja i bila je za 40% veća od ulja C. 4.2 Prednosti ulja sa visokom sposobnošću prenosa obrtnog momenta U našoj predhodnoj studiji [18], pronađeno je da se neophodni uslovi za efikasnošću prenosa pri niskom opterećenju bili u kontradikciji sa uslovima potrebnim za prenos maksimalnog obrtnog momenta. Bilo kako bilo, poboljšanje sposobnosti prenosa obrtnog momenta potencijalno donosi drugu prednost osim primene u velikim vozilima. Ovde će biti proučavan odnos između sposobnosti prenosa obrtnog momenta i aksijalne pritisne sile na remenici sa dva različita ulja koja imaju različite stosobnosti prenosa obrtnog momenta. Efekat aksijalne pritisne sile na sposobnost prenosa obrtnog momenta prikazan je na slici 6a. Ulje E omogućilo je za 15,3 % veću sposobnost prenosa obrtnog momenta od ulja A za 34,6 kN na gonjenoj remenici.

Slika 5 Sposobnost prenosa obrtnog momenta

testiranih ulja (upravljačka aksijalna sila na remenici = 34,6 kN, V1=14 m/s, I=2,36)

Kada je smanjena aksijalna sila na gonjenoj remenici sa 34,6 na 29,1 kN (ili 15,8%) za ulje E, ulje E je omogućilo prenos istog obrtnog momenta kao i ulje A pri aksijalnoj sili od 34,6 kN. Kao dodatak, efekat aksijalne pritisne sile na prenosnu efikasnost pod malim opterećenjem od 50 Nm prikazana je na slici 6b. Efikasnost ulja E je manja od ulja A ako se ona upoređuju pri istoj aksijalnoj pritisnoj sili. Ali ipak, ovo upoređivanje nebi trebalo vršiti pri istoj aksijalnoj pritisnoj sili zato što ulje koje ima sposobnost omogućavanja prenosa velikog obrtnog momenta može da umanji potrebnu aksijalnu pritisnu silu. Prenosna efikasnost ulja E pri sili od 29,1 kN je skoro ista kao i efikasnost ulja A pri sili od 34,6 kN. Zbog toga, primena ulja koja imaju sposobnost omogućavanja prenošenja većeg obrtnog momenta u varijatorima mogu doprineti smanjenju potrebne pritisne aksijalne sile na remenicama. Ovo sve sugeriše na to da je moguće imati pumpu za ulje koja radi pod nižim pritiskom, što dovodi do ukupnog smanjenja energetskih gubitaka u celoj konstrukciji varijatora. Ako je protok pumpe za ulje procenjen na 3,3 × 10−4 𝑚3 𝑠⁄ , potrošnja pumpe ukoliko se koristi ulje E može da se smanji za 0,14 kW u poređenju kada se koristi ulje A. Sa ove tačke gledišta poboljšanje prenosne efikasnosti treba izvršiti korišćenjem CVTF ulja sa većom sposobnošću prenosa obrtnog momenta. Kao dodatak povećanja sposobnosti prenosa obrtnog momenta, takođe se smanjuje i habanje kaiša i remenica što je važno i za dugotrajnost komponenata varijatora. 4.3 Prenosna efikasnost testiranih ulja Poznato je da se prenosna efikasnost smanjuje pri multiplikatorskom prenosnom odnosu [18]. Efikasnost svakog ulja pod aksialnom pritisnom silom na gonjenoj remenici od 10,5 kN, obimnoj brzini na pogonskoj remenici od 24 m/s, obrtnom momentu od 80 Nm, i prenosnom odnosu 0,44 prikazana je na slici 7. Ovi uslovi odgovaraju putnim uslovima na putu kada se vozilo kreće brzinom od 130 km/h. Standardna devijacija rezultata je ±0,05. Ulje C je pokazalo najveću efikasnost iako je njegova sposobnost prenosa obrtnog momenta bila najniža. Postoji maksimalna razlika od 3% u efikasnosti između svih testiranih ulja.



4.4 Izračunavanje frikcionih gubitaka u kaišu korišćenjem eksperimentalnih podataka Razlog zbog razlike efikasnosti između ulja biće uzet u obzir. Verovatno postoje tri značajna razloga za razliku u efikasnosti u ovim eksperimentima. Jedan je frikcioni gubitak uzrokovan klizanjem između kaiša i remenice i zbog klizanja između metalnih traka kaiša. Drugi je gubitak obrtnog momenta u kaišu [22] uzrokovan otporu prema radiajnom klizanju kada segmenti kaiša ulaze i izlaze iz kontakta sa remenicom. Ovaj gubitak je vrlo malo povezan sa frikcionim karakteristikama testiranih ulja zbog male radijalne klizajuće brzine. Treći gubitak je gubitak u četiri ležaja koji drže vratila sa remenicama.

Slika 7 Prenosna efikasnost testiranih ulja

(aksialna sila = 10,5 kN, brzina na pogonskoj remenici = 24 m/s, ob. momenat = 80 Nm, I =

0,44)

Predpostavljajući da je koeficijent trenja u kotrljajnim ležajevima od 0,01 do 0,03, to dovodi do zaključka da su i gubici u ležajevima mali. Ukoliko relativno klizanje nastaje između komponenata varijatora, doći će do generisanja toplote zbog frikcionog rada. Da bi se kvantifikovala veličina frikcionih gubitaka u kaišu, meri se temperatura mlaza ulja za podmazivanje, 𝑇𝑜𝑢𝑡 kao što je prikazano na slici 3. Mazivo za kaiš se raspršuje samo na spoljnoj strani kaiša, temperatura 𝑇𝑖𝑛 je takođe prikazana na slici 3. Osim toga, ulje koje se koristi za podmazivanje kaiša je potpuno razdvojeno od ulja koje se koristi za podmazivanje ležaja i hidrauličkog ulja koje se koristi za ostvarivanje aksijalne pritisne sile na remenicama radi menjanja prenosnog odnosa. Predpostavljajući da su toplotni gubici zračenjem, kondukcijom i konvekcijom od kaiša prema okolnoj atmosferi mali u poređenju sa generacijom toplote koja nastaje od klizanja, frikcioni gubitak 𝑄𝑏𝑒𝑙𝑡 u kaišu pod stabilnim uslovima rada može se eksperimentalno proceniti preko sledeće jednačine 𝑄𝑏𝑒𝑙𝑡 = 𝜌 × 𝐶𝑝 × 𝐿 × (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑖𝑛) (5) Gde je 𝜌 gustina ulja, 𝐶𝑝 specifična toplota na konstantnom pritisku, 𝐿 zapreminski protok ulja za podmazivanje kaiša, 𝑇𝑖𝑛 temperatura ulja na ulazu, 𝑇𝑜𝑢𝑡 temperatura prskanja sa pogonske remenice.

Slika 6 Uticaj upravljačke aksijalne sile na (a) remenici na sposobnost prenosa obrtnog momenta (brzina

pogonske remenice = 14 m/s i I = 2,36), i (b) prenosna efikasnost (brzina pogonske rem. = 14 m/s, I = 2,36 i ob. momenat = 50 Nm)



Treba napomenuti da deo toplote koji se generiše između kaiša i remenice se može preneti na remenice, što može uticati na tačnost rezultata. Na slici 8 su predstavljeni frikcioni gubici izračunati korišćenjem eksperimentalnih podataka sa uljima visoke, srednje i niske efikasnosti. Uslovi testiranja su bili isti kao i kod testa koji je prikazan na slici 7. Frikcioni gubici sa svakim uljem su se pomalo povećavali zajedno sa povećanjem obrtnog momenta. Ulje E koje je imalo najniži stepen efikasnosti od svih testiranih je dovelo do najvećih frikcionih gubitaka. Na slici 9 je pokazan deo procenjenog frikcionog gubitka prema ukupnom gubitku snage. Radi podsećanja, oduzimanje frikcionih gubitaka od gubitaka snage je zbog gubitka obrtnog momenta u kaišu i gubitaka u ležajevima. Na slici 9, ovi gubici su skoro isti za sva tri ulja. Posledica toga je da se sa slike vidi da je razlika u prenosnoj efikasnosti između ulja uglavnom uzrokovana od frikcionih gubitaka klizanja između kaiša i remenica, segmenata i traka i između traka kaiša. 5 MATEMATIČKO MODELIRANJE FRIKCIONIH GUBITAKA U KAIŠU Razvijen je model frikcionih gubitaka koji potiču od klizanja između svakog para u kontaktu varijatora. Pretpostavke koje su korišćene u ovoj analizi su sledeće.

Slika 8 Frikcioni gubici u kaišu (aksialna sila na

remenici = 10,5 kN, brzina pogonske remenice = 24 m/s, I = 0,44)

Slika 9 Udeo frikcionih gubitaka u ukupnom gubitku

snage (aks. Sila = 10,5 kN, brzina pogonske = 24 m/s, I = 0,44, ob. momenat = 80 Nm)

1. Frikcioni gubici između segmenta kaiša i

površine diska remenice, ramena segmenta i unutrašnje površine trake kaiša, i između traka kaiša će biti uzeti u obzir. Ostali gubici između spoljne površine trake kaiša i uva segmenta, traka kaiša i površine diska remenice, i između segmenata su zanemarljivi, zato što su opterećenja i brzine klizanja na ovim površinama relativno male.

2. Relativno klizanje između kaiša i remenice javlja se na remenici sa manjim aktivnim lukom sa kaišem zato što postoje veće šupljine između susednih segmenata na manjem luku remenice, zbog manjeg radiusa zakrivljenja, a šupljine uzrokuju klizanje [12]. Zbog ovoga klizanje se javlja na pogonskoj remenici u slučaju redukcije, a na gonjenoj u slučaju multiplikacije. Potvrđeno je da je količina dubinskog razaranja na pogonskoj remenici posle izvršenih testova izdržljivosti pri konstantnom redukcionom prenosnom odnosu više od 20 puta veća nego na gonjenoj remenici. Ovi rezultati mogu podržati pretpostavku da se klizanje uglavnom javlja na remenici sa manjim aktivnim lukom.

3. Distribucija klizanja između komponenata je konstantna na delu kaiša koji je u aktivnom luku. Brzine klizanja između segmenata i trake i između traka su određene na osnovu uslova kretanja, ali nisu uzrokovane koeficijentom trenja koji daju testirana ulja.

4. Sile koje deluju na komponente zbog deformacija kada se ivice kaiša pomeraju u i iz remenice su zanemarene.

5. Sve inercijalne sile su zanemarljive.



5.1 Frikcioni gubitak između strane segmenta i

površine remenice Frikcioni gubitak koji se javlja potiče od relativnog klizanja i kontaktnog opterećenja između strana svakog segmenta i površine dveju remenica. Frikcioni gubitak 𝑄𝑠𝑝 između jednog segmenta i remenice je dakle 𝑄𝑠𝑝 = 2 × 𝜇𝑠𝑝 × 𝐹𝑠𝑝 × 𝑉𝑠𝑝 (6) Gde je 𝜇 koeficijent trenja, 𝐹 normalno opterećenje, 𝑉 relativna brzina klizanja, indeks 𝑠𝑝 odnosi se na dodirnu stranu segmenta/remenice. Koeficijent trenja 𝜇𝑠𝑝 je dat jednačinom (7). Sposobnost prenosa obrtnog momenta može se definisati kao funkcija aksijalne pritisne sile na remenici i koeficijenta trenja [21].

𝐹𝑎𝑥

cos(𝜆) = 𝑀𝑚𝑎𝑥2×𝜇𝑠𝑝×𝑅𝑝

(7)

Gde je 𝐹𝑎𝑥 aksijalna pritisna sila na remenici, 𝑀𝑚𝑎𝑥 sposobnost prenosa obrtnog momenta testiranog ulja, 𝑅𝑝 kinematski radius na pogonskoj remenici, 𝜆 polovina ugla V žleba na remenici (11°). Aksijalna pritisna sila na remenici sastoji se od statične stezne sile koja se računa tako što se hidraulični pritisak ulja pomnoži sa površinom klipa na koji deluje i centrifugalne sile koja se generiše od pritiska ulja unutar posmatranog klipa kako se on okreće [20]. Pod pretpostavkom da se ne javlja klizanje kada nema opterećenja na izlazu iz varijatora, relativna brzina klizanja može da se izračuna iz [23] 𝑉𝑠𝑝 = 𝑉𝑠×𝑆𝑅

100 (8)

Gde je 𝑉𝑠 obimna brzina na kinematskoj kružnici pogonske remenice a 𝑆𝑅 je koeficijent klizanja izražen u jednačini (4). 5.2 Frikcioni gubitak između ramena segmenta

kaiša i unutrašnje strane trake kaiša Kinematski radius segmenata na remenici je otprilike 1 mm unutar ramena segmenta sa kojim je unutrašnja strana trake u kontaktu. Unutrašnja strana trake se relativno kliza prema ramenu

segmenta sa lučne strane trake a takođe i sa prave strane trake. Frikcioni gubitak 𝑄𝑏𝑟 zbog ove pojave je

𝑄𝑠𝑏 = 𝑄𝑠𝑏−𝑎 + 𝑄𝑠𝑏−𝑠𝑡= 𝜇𝑠𝑏 × 𝑁𝑠𝑏−𝑎 × 𝑉𝑠𝑏−𝑎+ 𝜇𝑠𝑏 × 𝑁𝑠𝑏−𝑠𝑡 × 𝑉𝑠𝑏−𝑠𝑡

(9) Gde je 𝑁 normalno opterećenje a indeksi sb-a i sb-st se odnose na rame segmenta/unutrašnju stranu trake koji su u kontaktu na lučnom delu kaiša i pravom dalu kaiša, respektivno. 5.3 Frikcioni gubici između traka kaiša Laminirani setovi traka u kaišu u ovom sistemu sastoje se od 12 tankih metalnih traka. Suma frikcionih gubitaka 𝑄𝑏𝑏 koji se pojavljuju zbog relativnog klizanja između susednih traka dat je izrazom

𝑄𝑏𝑏 = 𝑄𝑏𝑏−𝑎 + 𝑄𝑏𝑏−𝑠𝑡

= 𝜇𝑏𝑏 × [𝑁𝑏𝑏−𝑎(𝑛) × 𝑉𝑏𝑏−𝑎(𝑛)]12

𝑛=2

+ 𝜇𝑏𝑏 × [𝑁𝑏𝑏−𝑠𝑡(𝑛) × 𝑉𝑏𝑏−𝑠𝑡(𝑛)]12

𝑛=2

(2 ≤ 𝑛 ≤ 12)

(10) Gde je 𝑁 normalno opterećenje a indeksi bb-a i bb-st se odnose na kontakt traka-traka na lučnom delu i na pravom delu kaiša, respektivno. Tako se totalni frikcioni gubitak u kaišu može izraziti kao 𝑄𝑏𝑒𝑙𝑡 = 𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑠𝑏 + 𝑄𝑏𝑏 (11) 5.4 Izračunavanje normalnih opterećenja između

ramena segmenta i unutrašnje površine trake i između bloka i remenice

Na slici 10 je prikazana distribucija napona u kaišu i raspored pritisnih sila u slučaju multiplikacije. Kada su dve remenice povezane kaišem u stanju mirovanja, naprezanja u pravim delovima kaiša su jednaka. Ako se remenici dovede obrtni moment,



Slika 10 Raspored naprezanja u trakama i pritisne

sile na segmentu ( I = 0,44) dolazi do makro klizanja između kaiša i remenice, što dovodi do toga da naprezanja u pravim delovima više nisu jednaka [24]. Ovde je, 𝑇1 naprezanje u gornjem ogranku kaiša i 𝑇2 naprezanje u donjem ogranku kaiša. 𝑇1 i 𝑇2 će biti konstantni i nezavisni od obrtnog momenta. Kao dodatak razlike između dva napona (𝑇1 − 𝑇2 ), pritisna sila na segmentu 𝐶1 deluje u gornjem ogranku kaiša i prenosi obrtni momenat. Sledeće, ravnoteža sila koje deluju na segment i na traku u predelu manjeg luka na gonjenoj remenici je prikazana na slici 11. Ugao 𝜃 se meri od tačke gde kaiš stupa u spregu ga gonjenom remenicom. T je naprezanje u kaišu na uglu 𝜃, a 𝑇 + 𝑑𝑇 naprezanje u kaišu na uglu 𝜃 + 𝑑𝜃. Slično tome, 𝐶 i 𝐶 + 𝑑𝐶 je pritisna sila na segmentu na uglu 𝜃 i 𝜃 + 𝑑𝜃, respektivno. Uzimajući u obzir ravnotežu sila između komponenata u zoni aktivnog luka gonjene remenice, sledeće diferencijalne jednačine [24, 25] su dobijene, zanemarivajući uslove drugog reda. 𝑑𝑇 + 𝜇𝑠𝑏𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎 = 0 (12) 𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎 − (𝑇 −𝑚𝑏𝑉𝑏2)𝑑𝜃 = 0 (13) 𝑑𝐶 + 2𝜇𝑠𝑝𝑑𝐹𝑠𝑝 + 𝜇𝑠𝑏𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎 = 0 (14) 𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎 − 2 𝜇𝑠𝑝

𝜇′𝑑𝐹𝑠𝑝 − 𝐶𝑑𝜃 − 𝑚𝑠𝑉𝑠2𝑑𝜃 = 0 (15)

Iz jednačina od (12) do (15), sa graničnim uslovima 𝜃 = 0,𝑇 = 𝑇1,𝐶 = 𝐶1 dobija se 𝑇 = (𝑇1 − 𝑚𝑏𝑉𝑏2) ∙ 𝑒−𝜇𝑠𝑏𝜃 + 𝑚𝑏𝑉𝑏2 (16) 𝐶 = 𝐶1𝑒𝜇

′𝜃 + (𝑇1 − 𝑚𝑏𝑉𝑏2) ∙ 𝑒−𝜇𝑠𝑏𝜃 − 𝑒𝜇′𝜃+ (𝑒𝜇′𝜃 − 1) ∙ 𝑚𝑠𝑉𝑠2

(17) Gde su 𝐶1 i 𝑇1 integracione konstante, 𝑚𝑏𝑉𝑏2 i 𝑚𝑠𝑉𝑠2 centrifugalna sila po jedinici dužine na traci i segmentu, respektivno, i 𝜇′ = 𝜇𝑠𝑝/sin(𝜆) +𝜇𝑠𝑝cos (𝜆) predstavlja kompozitni koeficijent

Slika 11 Ravnoteža sila na delu malog aktivnog

luka. (a) sile koje deluju na traku. (b) sile koje deluju na segmentu ( I = 0,44 na gonjenoj remenici)

trenja između segmenta i remenice. Konstante 𝐶1 i 𝑇1 variraju zavisno od ulaznog obrtnog momenta, i one će biti nađene kroz proceduru koja sledi. Zamenjujući izraz 𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎 iz jednačine (12) u jednačinu (15) 𝑑𝑇 = −2 𝜇𝑠𝑏𝜇𝑠𝑝

𝜇′𝑑𝐹𝑠𝑝 − 𝐶𝜇𝑠𝑏𝑑𝜃 −

𝑚𝑠𝑉𝑠2𝜇𝑠𝑏𝑑𝜃 = 0 (18) Uzimajući u obzir ceo aktivni luk na gonjenoj remenici, jednačina (18) se može pojednostaviti u jednačinu (19) 𝑇2 − 𝑇1 = −2 𝜇𝑠𝑏𝜇𝑠𝑝

𝜇′𝐹𝑎𝑥cos𝜆

− 𝐶1𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠 −𝑚𝑠𝑉𝑠2𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠 (19) Preneseni obrtni moment je dat preko 𝑀

𝑅𝑝= (𝑇2 − 𝑇1) + 𝐶1 (20)

Iz jednačina (19) i (20) dobija se konstanta 𝐶1

𝐶1 =

𝑀𝑅𝑝

+𝜇𝑠𝑏𝜇𝑠𝑝𝜇′

𝐹𝑎𝑥cos 𝜆 + 𝑚𝑠𝑉𝑠2𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠

1 − 𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠

(21) Kada je 𝜃 = 𝛽𝑠 ,𝑇2 = 0, i iz jednačina (16) i (17), dobijaju se 𝑇1 i 𝑇2 . Iz jednačina (13) i (16), dobija se normalno opterećenje 𝑁𝑠𝑏−𝑎 između ramena segmenta i unutrašnje površine trake u aktivnom delu luka

𝑁𝑠𝑏−𝑎 = (𝑇1 − 𝑚𝑏𝑉𝑏2) ∙ 1−𝑒−𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠

𝜇𝑠𝑏 (22)

Gde je 𝛽𝑠 ugao aktivnog luka na gonjenoj remenici.



I iz jednačina (13), (15), i (17), normalno opterećenje 𝐹𝑠𝑝 između segmenta i površine remenice se izražava preko

𝐹𝑠𝑝 = (𝑇1 − 𝐶1 − 𝑚𝑏𝑉𝑏2 − 𝑚𝑠𝑉𝑠2) ∙𝑒𝜇′𝛽𝑠 − 1

2𝜇𝑠𝑝

(23) Osim toga, normalno opterećenje 𝑁𝑏𝑟−𝑠𝑡 između ramena segmenta i unutrašnje površine trake na pravom delu kaiša je 𝑁𝑠𝑏−𝑠𝑡 = (𝑇1 + 𝑇2) ∙ tan(𝛼) (24)

Gde je 𝛼 = sin−1 𝑅𝑝−𝑅𝑠𝑋

5.5 Izračunavanje normalnih opterećenja između

traka u kaišu U pogledu normalnog opterećenja koje deluje između laminarnih traka, Akagi Yoshidi [26] je procenio distribuciju naprezanja u traki za laminarne trake merenjem napona u u spoljnim trakama svaki put kada bi se dodala još jedna traka u svežnju. Oni su otkrili da je naprezanje u svakoj traci uniformno raspodeljeno. Ovo dovodi do toga da se laminirane trake mogu tretirati kao jednoslojna traka koja ima totalno naprezanje 𝑇1 i 𝑇2 [25]. Upotrebom jednačina (12) i (13), ravnoteža opterećenja koja deluju na spoljnu traku u svežnju (n=12) može se predstaviti kao 𝑑𝑇(12) + 𝜇𝑠𝑏𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎(12) = 0 (25) 𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎(12) − 𝑇(12) −𝑚𝑏(12)𝑉𝑏2𝑑𝜃 = 0 (26) Iz jednačina (25) i (26), kada je 𝜃 = 0 i 𝑇(12) =𝑇1(12), koristeći istu procduru koja je opisana pri rešavanju jednačina (16) i (22)

𝑇(12) = [𝑇1(12) −𝑚𝑏(12)𝑉𝑏2]e−𝜇𝑠𝑏𝜃+ 𝑚𝑏(12)𝑉𝑏2

(27)

𝑁𝑠𝑏−𝑎(12) = [𝑇1(12) −𝑚𝑏(12)𝑉𝑏2]1 − 𝑒−𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠

𝜇𝑠𝑏

(28) Pod pretpostavkom da je naprezanje svake trake jednako, ravnoteža opterećenja n-te trake može se izraziti preko ∑ 𝑑𝑇(𝑖) + 𝜇𝑠𝑏𝑑𝑁𝑠𝑏−𝑎(𝑛) = 012

𝑖=𝑛 (29)

𝑑𝑁𝑏𝑏−𝑎(𝑛) − ∑ 𝑇(𝑖) −𝑚𝑏(𝑖)𝑉𝑏2𝑑𝜃 = 012𝑖=𝑛 (30)

Kada je 𝜃 = 0,𝑇(𝑛) = ∑ 𝑇1(𝑖)12

𝑖=𝑛 Normalno opterećenje koje deluje na n-tu traku u lučnom delu može se izraziti kao

𝑁𝑏𝑏−𝑎(𝑛)

= 𝑚𝑏(𝑖)𝑉𝑏2 − 𝑇1(𝑖) ∙𝑒−𝜇𝑠𝑏𝛽𝑠 − 1

𝜇𝑠𝑏

12

𝑖=𝑛

(2 ≤ 𝑛 ≤ 12) (31) Ovde ukoliko su početna naprezanja svake trake jednaka, konstanta 𝑇1(𝑛) se dobija iz 𝑇1(𝑛) = 13−𝑛

12∙ 𝑇1 (32)

Sa druge strane normalno opterećenje 𝑁𝑏𝑏−𝑠𝑡(𝑛) između traka na pravom delu kaiša je

𝑁𝑏𝑏−𝑠𝑡(𝑛) = [𝑇1(𝑖) + 𝑇2(𝑖)] ∙ tan(𝛼)12

𝑖=𝑛

(2 ≤ 𝑛 ≤ 12) (33) 5.6 Izračunavanje relativne brzine klizanja između

ramena segmenta i unutrašnje površine trake Na slici 12 je prikazana relativna brzina klizanja između kaiša i trake. Rame segmenta je otprilike 1 mm udaljeno od kinematskog radiusa. Obimna brzina 𝑉𝑠𝑠 ramena bloka na gonjenoj remenici je 𝑉𝑠𝑠 = 𝑉𝑠 1 + 𝑑𝑅

𝑅𝑠 (34)

Na remenici sa većim aktivnim lukom, javlja se veći frikcioni otpor između segmenata i trake zbog veće kontaktne površine. Zbog toga, izgleda kao da ne postoji klizanje između između segmenata i trake na remenici sa većim aktivnim lukom [19, 23]. Brzina trake se smatra konstantnom duž celog kaiša. Ipak, obimna brzina prve unutrašnje trake 𝑉1 biće jednaka sa brzinom ramena na segment koji se nalazi na remenici sa većim aktivnim lukom

𝑉1 = 𝑉𝑠 1 + 𝑑𝑅𝑅𝑝 (35)

Segmenti se kreću ispred traka po manjim delovima lukova od traka. Zbog toga, relativna obimna brzina klizanja 𝑉𝑠𝑏−𝑎 ramena segmenta



Slika 12 Relativno klizanje između ramena

segmenta i unutrašnje trake i između traka kaiša ( I = 0,44)

prema prvoj unutrašnjoj traci kaiša u lučnom delu može se izračunati iz

𝑉𝑠𝑏−𝑎 = |𝑉𝑠𝑠 − 𝑉1| = 𝑉𝑠 ∙ 𝑑𝑅 ∙ 1𝑅𝑠− 1

𝑅𝑝 (36)

Gde je 𝑑𝑅 između kinematske kružnice do ramena segmenta. Na pravom delu kaiša, trake se kreću brže od segmenata [19]. Brzina ramena segmenata biće ista kao i brzina kaiša. Relativna obimna brzina klizanja 𝑉𝑠𝑏−𝑠𝑡 ramena segmetnta prema unutrašnjoj traci na pravom delu kaiša data je preko

𝑉𝑠𝑏−𝑠𝑡 = 𝑉𝑠 ∙𝑑𝑅𝑅𝑝

, (𝐼 < 1),

𝑉𝑠𝑏−𝑠𝑡 = 𝑉𝑠 ∙𝑑𝑅𝑅𝑠

, (𝐼 > 1)

(37)

5.7 Izračunavanje relativne brzine klizanja između

traka Relativna brzina između traka može se izračunati korišćenjem iste procedure koja je predhodno opisana Ovde je, debljina svake trake 𝑡. Obimna brzina n-te trake je

𝑉𝑛 = 𝑉𝑠 ∙ 1 + 𝑑𝑅𝑅𝑝

+ (𝑛−1)∙𝑡𝑅𝑝

(38)

I tako, brzina 𝑉𝑛−1,𝑜𝑢𝑡 na spoljnoj površini (𝑛 − 1). trake je

𝑉𝑛−1,𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑛−1 ∙ 1 + 𝑡𝑅𝑠 (39)

Brzina (𝑛 − 1). Trake je brža on n-te trake na remenici sa manjim aktivnim lukom. Zbog toga, relativna obimna brzina klizanja 𝑉𝑏𝑏−𝑎(𝑛) između traka u lučnom delu kaiša može se izraziti kao 𝑉𝑏𝑏−𝑎(𝑛) = 𝑉𝑛−1,𝑜𝑢𝑡 − 𝑉𝑛 = 𝑉𝑠 ∙ 𝑡 ∙

1𝑅𝑠− 1

𝑅𝑝+ 𝑑𝑅×𝑡

𝑅𝑠×𝑅𝑝+ (𝑛−2)×𝑡2

𝑅𝑠×𝑅𝑝 (2 ≤ 𝑛 ≤ 12)

(40) Sa druge strane, relativna obimna brzina klizanja 𝑉𝑏𝑏−𝑠𝑡(𝑛) između traka na pravom delu kaiša je 𝑉𝑏𝑏−𝑠𝑡 = 𝑉𝑠 ∙

𝑡𝑅𝑝

(𝐼 < 1),

𝑉𝑏𝑏−𝑠𝑡 = 𝑉𝑠 ∙𝑡𝑅𝑠

(𝐼 > 1) (41)

5.8 Definicija koeficijenta trenja između

segmenta i trake i između traka Pronalaženje vrednosti za 𝜇𝑠𝑏 i 𝜇𝑏𝑏 u stvarnom varijatoru je veoma komplikovano. U ovoj analizi, 𝜇𝑠𝑏 i 𝜇𝑏𝑏 su definisani od podataka dobijenih od tribometra “prsten-na-disku” opisanog u odeljku 3.2. Prvo, uslovi trenja u posmatranom varijatoru su ispitani radi definisanja simulacije u tribometru. Procenjene vrednosti kontaktnog pritiska i relativne brzine klizanja između kaiša i traka i između traka su date u tabeli 2, za uslove niskog kontaktnog pritiska. Relativne obimne brzine klizanja 𝑉𝑠𝑏−𝑎 i 𝑉𝑏𝑏−𝑎(𝑛) su procenjene na 0,38 m/s i 0,075 do 0,049 m/s, respektivno. Frikcione karakteristike sa uljima E, A i C sa testiranim tribometrom date su na slici 13. Koeficijenti trenja 𝜇𝑠𝑏 i 𝜇𝑏𝑏 su uzeti kao koeficijenti trenja na istoj obimnoj brzini klizanja u tribometru. Mada, testirani kontaktni pritisak na 3 MPa bio je na sredini opsega (tabela 2), potvrđeno je da je zavisnost koeficijenta trenja na kontaktni pritisak veoma mali, kada je pritisak <6 MPa. Od rezultata sa slike 13, vidi se da ulja veće efikasnosti imaju manji koeficijent trenja. Ovo sugeriše da je efektivno radi poboljšanja efikasnosti smanjiti koeficijent trenja pod uslovima nižeg opterećenja. Neizbežno, koeficijent trenja kod većeg kontaktnog pritiska kao što je između segmenta i remenice bi trebao biti veći, kako bi bio primenljiv kod snažnijih vozila, i radi redukcije maksimalnog opterećenja pumpe, što je ranije razmatrano.



Tabela 2 Uslovi trenja u posmatranom varijatoru za svaki par u kontaktu (aks. Sila = 10,5 kN, brzina

pogonske remenice = 24 m/s, I = 0,44) Dodirni par Rame segmenta /

unutrašnja traka Traka / traka

(2 ≤ 𝑛 ≤ 12) P, kontaktni pritisak [Mpa]

6,2 0,5 – 5,7

V, relativna brzina klizanja [m/s]

0,38 0,075 - 0,079

Slika 13 Definicija koeficijenta trenja između

ramena segmenta u unutrašnje trake i između traka ( kont. pritisak = 3 MPa, temp. ulja = 100

Slika 14 Frikcioni gubici u varijatoru sa (a) ulje E, (b) ulje E, (c) ulje A (aks. Sila na remenici 10,5 kN, brzina pog. remenice = 11 m/s, I = 0,44)

6 RAČUNSKI REZULTATI I NJIHOVO RAZMATRANJE Frikcioni gubici su izračunati korišćenjem modela koji je predložen u predhodnom poglavlju a zatim upoređeni sa eksperimentalno dobijenim rezultatima. Na slici 14 prikazani su izračunati rezultati frikcionih gubitaka u varijatoru sa uljima E, A i C sa aksialnom pritisnom silom na remenici od 10,5 kN, obimnom brzinom na pogonskoj remenici od 11 m/s, i multiplikatorskom odnosu 0,44. Ovi uslovi su jednaki uslovima kada se vozilo kreće brzinom od 60 km/h. U ovom slučaju sa relativno malom brzinom, izračunati i izmereni podaci frikcionih gubitka se dobro slažu kada je obrtni moment bio 60 Nm. Nakon toga dolazi do većeg odstupanja vrednosti izračunatih i izmerenih rezultata kako se obrtni moment povećava. Klizanje između kaiša i remenice se povećava kako se povećava obrtni moment.



Posledično tome, generisanje toplote nastalo zbog klizanja u ovom režimu značajno će se povećati nego kod drugih delova koji su u kontaktu, kao što su između segmenata i trake i između traka. Toplota koja se generiše sa strane segmenta može se parcijalno preneti i na remenicu. U ovoj studiji merena je temperatura kaiša kao što je prikazano na slici 3. Zbog toga ta temperatura nije bila velika koliko je očekivano zbog dodatne kondukcije toplote od kaiša prema remenici, što delom doprinosi razlici između izračunatih i eksperimentalno izmerenih frikcionih gubitaka pri većim obrtnim momentima. Rezultati u uslovima velikih brzina, 24 m/s prikazani su na slici 15. Može se videti da su rezultati slični rezultatima sa slike 14 ali sa manje slaganja, i imaju oko 20% više trenja pri nižim obrtnim momentima. Razlog za razliku ovih vrednosti biće objašnjena. U slučaju velikih brzina i multiplikatorskog prenosnog odnosa,

otpor radialnom klizanju može postati izraženiji nego li onaj pri nižim brzinama kada kaiš stupa i izlazi iz sprege sa pogonskom remenicom. Odnosno, gubitak obrtnog momenta (obrtni moment prenosnika kada nema opterećenja) sa brzinom od 24 m/s bio je oko 2,2 puta veći nego li kod 11 m/s. Ova pojava može dovesti do pojave sile savijanja na prstenu kao odgovor naprezanju, koje nije uzeto u obzir u modelu. Kao rezultat toga eksperimentalni rezultati su bili veći od onih predviđenih matematičkim modelom. Sa druge strane, eksperimentalne vrednosti ulja E i C su manje od proračunatih u slučaju kada je obrtni moment veći od 80 Nm. Ova razlika verovatno potiče od kondukcije toplote prema remenicama koja se javlja u eksperimentima a koja je ranije opisana. Na kraju krajeva, rezultati dobijeni ovim matematičkim modelom su slični onima koji su dobijeni eksperimentom, što opravdava upotrebu ovog modela.

Slika 15 Frikcioni gubici u varijatoru sa (a) ulje E, (b) ulje E, (c) ulje A (aks. Sila na remenici 10,5 kN, brzina pog. remenice = 24 m/s, I = 0,44



7 ZAKLJUČAK Uticaji karakteristika trenja metala po metalu na sposobnost prenošenja obrtnog momenta i efikasnosti varijatora sa metalnim V kaišem su eksperimentalno i analitički analizirane. Eksperimenti su izvršeni korišćenjem eksperimentalnog test sklopa varijatora sa kaišem i remenicama ali i bez celog prenosnika sa zupčanicima. Prenosna efikasnost je procenjena menjanjem pritisne upravljačke aksijalne sile na gonjenoj remenici od 10,5 do 34,6 kN, i prenosnim odnosom od 2,36 (redukcija) do 0,44 (multiplikacija). Da bi se analizirale karakteristike trenja metala po metalu u uslovima niskog kontaktnog pritiska, kao što je između kaiša i traka, ili izmešu traka kaiša, napravljen je tribometar “Prsten-na-disku”. Prednosti korišćenja ulja sa visokom sposobnošću prenošenja obrtnog momenta na efikasnost varijatora je procenjena. Ulja koja povećavaju sposobnost prenošenja ob. momenta u varijatoru imaju potencijal da smanje maksimalno potrebnu upravljačku aksialnu pritisnu silu na remenicama, što na kraju dovodi i do ukupnog smanjenja gubitka snage u celom sklopu varijatora. Sa tačke gledišta prenosne efikasnosti, prioritet poboljšanja performansi ulja za varijatore trebao bi da bude usmeren na poboljšanje sposobnosti prenosa ob. momenta. Pored poboljšanja sposobnosti prenosa ob. momenta, antihabajuće performanse između kaiša i remenice su takođe važne zbog dugotrajnosti komponenata varijatora. Prenosna efikasnost se smanjuje kod multiplikacije i u uslovima manjeg opterećenja. Maksimalna razlika u efikasnosti sa svim testiranim uljima pri istoj aksialnoj upravljačkoj sili dostigla je 3%. Da bi se rasjasnila razlika između testiranih ulja, frikcioni gubitak u kaišu je eksperimentalno kvantifikovan. Radi podsećanja, oduzimanjem frikcionih gubitaka od gubitaka snage dobijaju se gubici obrtnog momenta u kaišu koji potiče od radijalnog otpora kada kaiš stupa u spregu sa pogonskom remenicom i gubitaka u ležajevima. Ovi gubici su bili skoro isti za sva testirana ulja. Kao rezultat, pokazano je da je razlika u prenosnoj efikasnosti sa različitim uljima zavisi od frikcionih gubitaka koji potiču od klizanja između kaiša i remenice, segmenta i trake i između traka u metalnom kaišu. Takođe je matematički modeliran i frikcioni gubitak koji potiče od pojave klizanja između svakog para u kontaktu. Pokazano je da postoji

dobro poklapanje između izračunatih i eksperimentalno dobijenoh rezultata u uslovima relativno manjih brzina kada je obrtni moment bio do 60 Nm. U slučaju većih brzina i manjih obrtnih momenata, eksperimentalni podaci daju 20% veći frikcioni gubitak od izračunatog zbog otpora radijalnom klizanju na ulazu i izlazu iz remenica. Zbog toga rezultati izračunati preko ovog matematičkog modela su slični onima koji su dobijeni eksperimentalnim merenjem, što opravdava upotrebu ovog modela. REFERENCE

1. Murakami, Y. Half a century of automatic transmissions for vehicles. J. Jpn. Soc. Tribologis., 2005, 50(9), 665-670.

2. Fewkes, R., Gunsing, J., and Sumiejski, J. L. Lubricants as a construction element in the VDT push-belt CVT system. SAE paper 932848, 1993.

3. Mitsui, H. Trends and requirements of fluids for metal pushing belt type CVTs. J. Jpn. Soc. Tribol., 2000, 45(6), 13–18.

4. Kato, M., Igarashi, H., and Deshimaru, J. Performance of a new generation belt CVT lubricant. In Proceedings of the ’98 International Symposium Tribology on vehicle transactions, Yohohama, 1998, pp. 128–131.

5. Ishikawa, T., Murakami, Y., Yautibara, R., and Sano, A. The effect ofbeltdriveCVTfluidonthe frictioncoefficient betweenmetal components. SAE paper 972921, 1997.

6. Kapa, Ph., Martin, J. M., Blanc, C., and Georges, J. M. Antiwear mechanism of ZDDP in the presence of Calcium Sulfonate Detergent. Trans. ASME, 1981, 103, 488.

7. Sato, T. Mechanism of additives in belt type CVT contact area. In Proceedings of International Tribology Conference, Nagasaki, 2000, vol. 2, pp. 1379–1384.

8. Narita, K., Abe, A., Deshimaru, J., and Hara, S. Improvement of torque capacity of metal V-belt type CVT fluids. SAE paper 2003-01-1997, 2003.

9. Minami, I., Ichihashi, T., Kubo, T., Nanao, H., and Mori, S. Tribochemical approach toward mechanism for synergism of lubricant additive on antiwear and friction reducing properties. Synopses of 31st Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Leeds, 2004, Vol. VIII(iii).

10. Wada, H. and Iwanami, I. Xanes study on boundary lubrication films generated from belt-drive continuously variable transmission fluids. Synopses of International Tribology Conference, Kobe, 2005, pp. 319.

11. Micklem, J. D., Longmore, D. K., and Burrows, C. R. Modelling of the steel pushing V-belt continuously variable transmission. Proc. Instn Mech. Engrs, Part C: J. Mechanical Engineering Science, 1994, 208, 13–27.



12. Kobayashi, D., Mabuchi, Y., and Kato, Y. A study on the torque capacity of a metal pushing V-belt for CVTs. SAE paper 980822, 1998.

13. Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., and Simner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushing V-belt continuously variable transmission. Part 1: torque losses due to band friction. Proc. Instn Mech. Engrs, Part D: J. Automobile Engineering, 2004, 218, 1269–1280.

14. Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., and Simner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushing V-belt continuously variable transmission. Part 2: pulley deflection losses and total torque loss validation. Proc. Instn Mech. Engrs, Part D: J. Automobile Engineering, 2004, 218, 1283–1293.

15. Akehurst, A., Vaughan, N. D., Parker, D. A., and Simner, D. Modelling of loss mechanisms in a pushing V-belt continuously variable transmission. Part 3: belt slip losses. Proc. Instn Mech. Engrs, Part D: J. Automobile Engineering, 2004, 218, 1295–1306.

16. Lebrecht, W., Preiffer, F., and Ulbrich, H. Analysis of self-induced vibrations in a pushing V-belt CVT. In Proceedings of International Continuously Variable and Hybrid Transmission Congress, University of California, USA, 2004.

17. Poll, G., Kruse, T., and Meyer, C. Prediction of losses in belt-type continuously variable transmission due to sliding belt and discs. Proc. IMechE, Part J: J. Engineering Tribology, 2006, 220(J3), 235–243.

18. Narita, K., Deshimaru, J., and Yamada, H. Performance of lubricants for a metal V-belt type CVT. In Proceedings of JSME International Conference on Motion and power transmissions, Fukuoka, 2001, pp. 730–735.

19. Ide, T. Metal V-belt used for continuously variable transmission for passenger car. J. SAE Jpn, 2000, 54(4), 4–9.

20. Morgan, C. and Fewkes, R. Development of a belt CVT fluid test Procedure using the VT20/25E belt box for the DEX-CVT specification. SAE paper 2002-01- 2819, 2002.

21. Pennings, B., Drogen, M. V., Bansma, A., Ginkel, E. V., and Lemmens, M. Van Doone CVT fluid test: a test method on belt-pulley level to select fluids for push belt CVT appilication. SAE paper 2003-01-3253, 2003.

22. Tanaka, H. Fundamental course of automatic technology. J. SAE Jpn, 2000, 54(3), 81–90.

23. Takahara, H. and Abo, K. Heat generation analysis of a metal V-belt for CVTs. J. SAE Jpn, 2000, 54(4), 16–20.

24. Stolarski, T. A. Tribology in machine design, 1990, pp. 128–129 (Batterworth-Heinemann).

25. Katsuya, A., Sato, T., and Kurimoto, K. Analysis of behavior of CVT belt. In Proceedings of SAE of Japan Conference, 1989, vol. 891, pp. 13–18.

26. Akagi, H. and Yoshida, H. A study of the forces acting on the layered rings of a metal pushing V-belt for CVT. HONDA R&D Technical Review, 1999, vol. 11(1), pp. 101–106.

BIBLIOGRAFIJA

Micklem, J. D., Longmore, D. K., and Burrows, C. R. Belt torque loss in a steel V-belt continuously variable transmission. Proc. Instn Mech. Engrs, 1994, 208, 91–97.

DODATAK Oznake 𝐶 Pritisna sila u kaišu [N] 𝐶𝑝 Specifična toplota testiranog ulja [𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ ] 𝑑𝑅 Rastojanje između kinematske kružnice do ramena segmenta [m] 𝐹𝑎𝑥 Aksijalna sila na gonjenoj remenici [N] 𝐹𝑠𝑝 Normalno opterećenje između strane segment i površine remenice [N] 𝐼 Prenosni odnos 𝑀,𝑀𝑚𝑎𝑥 Obrtni moment, obrtni moment koji se prenosi [Nm] 𝑚𝑠 ,𝑚𝑏 Masa po jedinici dužine segmenta i i trake, respektivno [kg/m] n Broj traka, n = 1-12 Ω Ugaona brzina remenice [ob/min] 𝑁𝑠𝑏−𝑎 Normalno opterećenje između ramena segmenta i unutrašnje trake na lučnom delu kaiša [N] 𝑁𝑠𝑏−𝑠𝑡 Normalno opterećenje između ramena segmenta i unutrašnje trake na pravom delu kaiša [N] 𝑁𝑏𝑏−𝑎 Normalno opterećenje između traka na lučnom delu kaiša [N] 𝑁𝑏𝑏−𝑠𝑡 Normalno opterećenje između traka na pravom delu kaiša [N] L Protok ulja za podmazivanje lanca (metalnog kaiša) [m3/s] 𝑄𝑏𝑒𝑙𝑡 Ukupni frikcioni gubici u kaišu [kW] 𝑄𝑠𝑝 Frikcioni gubici između strane segmenata kaiša i površine remenice [kW]



𝑄𝑠𝑏−𝑎 Frikcioni gubici između ramena segmenata kaiša i unutrašnje površine kaiša na lučnom delu [kW] 𝑄𝑠𝑏−𝑠𝑡 Frikcioni gubici između ramena segmenata kaiša i unutrašnje površine kaiša na pravom delu [kW] 𝑄𝑏𝑏−𝑎 Frikcioni gubici između traka kaiša na lučnom delu [kW] 𝑄𝑏𝑏−𝑠𝑡 Frikcioni gubici između traka kaiša na pravom delu [kW] 𝑅 Kinematski radius 𝑟 Debljina trake u kaišu [m] 𝑆𝑅 Koeficijent klizanja [%] 𝑇 Sila u kaišu (zatezna, pritisna) [N] 𝑇𝑖𝑛 Temperatura ulja za podnazivanje kaiša[] 𝑇𝑜𝑢𝑡 Temperatura zračenja sa pogonske remenice [] 𝑉𝑠 ,𝑉𝑏 Brzine kaiša i traka [m/s] 𝑉𝑠𝑝 Relativna obimna brzina klizanja između strane segmenta i remenice [m/s] 𝑉𝑠𝑏−𝑎 Relativna obimna brzina klizanja između ramena segmenta i unutrašnje trake kaiša na lučnom delu [m/s] 𝑉𝑠𝑏−𝑠𝑡 Relativna obimna brzina klizanja između ramena segmenta i unutrašnje trake kaiša na pravom delu [m/s]

𝑉𝑏𝑏−𝑎 Relativna obimna brzina klizanja između traka kaiša na lučnom delu [m/s] 𝑉𝑏𝑏−𝑠𝑡 Relativna obimna brzina klizanja između traka kaiša na pravom delu [m/s] 𝑋 Osno rastojanje između remenica [m] 𝛼 Ugao prikazan na slici 2 [°] 𝛽 Aktivni ugao luka na remenici [°] 𝜌 Gustina ulja [kg/m3] 𝜇𝑠𝑝 Koeficijent trenja između strane segmenta i remenice 𝜇𝑠𝑏 Koeficijent trenja između ramena segmenta i unutrašnje trake 𝜇𝑏𝑏 Koeficijent trenja između traka 𝜇′ Kompozitni koeficijent trenja između strane segmenta i remenice Indeksi p primary – pogonska remenica s secondary – gonjena remenica 1 gornji deo kaiša 2 donji deo kaiša

In[2

]:=T

ex

tC

el

l"

Gu

bi

ci

sn

ag

eu

CV

Tv

ar

ij

at

or

us

am

et

al

ni

mk

ai

se

m"

,"

Se

ct

io

n"

Out

[2]=

Gub

ici s

nage

u C

VT v

arija

toru

sa

met

alni

m k

aise

m

In[3

]:=T

ex

tC

el

l"

Ul

az

ni

po

da

ci

:"

,"

Su

bs

ec

ti

on

"

Out

[3]=

Ula

zni p

odac

i:

In[4

]:=K

0.

44

;R

p

10

0

10

3;

X

25

0

10

3;

dR

1

10

3;

mb

2

0.

5;

ms

4;

n

12

;t

0.

5

10

3;

s

b

0.

1;

bb

0.

1;

SR

3;

11

;

T2

0;

Mm

ax

oi

l

18

2;

Fa

x

10

.5

10

3;

Vs

11

;V

b

11

;

In[8

]:=R

s

K

Rp

;R

s

Out

[8]=

0.

04

4

In[9

]:=

18

0

Ar

cS

inA

bsR

p

Rs

X;

Out

[9]=

12

.9

44

1

In[1

0]:=

p

18

0

2

Ar

cS

inR

s

Rp

X

;

p

Out

[10]

=2

05

.8

88

In[1

1]:=

s

18

0

2

Ar

cS

inR

s

Rp

X

;

s

Out

[11]

=1

54

.1

12

In[1

2]:=

s

p

Mm

ax

oi

l

Co

s

1

80

2

Fa

x

Rp

;

sp

Out

[12]

=0

.0

85

07

44

In[1

3]:=

Vs

p

Vs

SR

10

0;

Vs

p

Out

[13]

=3

3

10

0

In[1

4]:=

k

s

p

Si

n

1

80

sp

Co

s

1

80;

k

Out

[14]

=0

.3

10

12

8

In[1

5]:=

C1

M Rp

s

b

sp

k

F

ax

Co

s1

80

ms

Vs

2

sb

s1

80

1

sb

s1

80

;C

1

Out

[15]

=1

.3

67

944

23

.6

12

10

M

2

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

In[1

6]:=

T1

Ab

sC

1

T2

M Rp;

T1

Out

[16]

=A

bs

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[1

7]:=

Fs

p

Ab

s

T1

C1

mb

Vb

2

ms

Vs

2

k

s1

80

1

2

sp

;F

sp

Out

[17]

=7

.6

57

42

Ab

s

60

5.

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[1

8]:=

Qs

p

2

sp

Fs

p

Vs

p;

Qs

p

Out

[18]

=0

.4

29

95

7A

bs

60

5.

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[1

9]:=

Ns

ba

1

sb

s1

80

s

bT

1

mbV

b2;

Ns

ba

Out

[19]

=2

.3

58

38

12

1.

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[2

0]:=

Ns

bs

tT

1

T2

Ta

n

18

0;

Ns

bs

t

Out

[20]

=0

.2

29

84

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[2

1]:=

Vs

ba

Vs

dR

Ab

s

1 Rs

1 Rp

;V

sb

a

Out

[21]

=0

.1

4

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

3

In[2

2]:=

Vs

bs

t

IfK

1

,V

sb

st

Vs

dR Rp

,V

sb

st

Vs

dR Rs;

Vs

bs

t

Out

[22]

=1

1

10

0

In[2

3]:=

Qs

b

sb

Ns

ba

Vs

ba

sb

Ns

bs

t

Vs

bs

t;

Qs

b

Out

[23]

=0

.0

33

01

74

12

1.

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

0.

00

25

28

24

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[2

4]:=

Vb

bs

t

IfK

1

,V

bb

st

Vs

t Rp

,V

bb

st

Vs

t Rs;

Vb

bs

t

Out

[24]

=0

.0

55

In[2

5]:=

Qb

b

bb

nk

2

n

Vb

bs

t

nk

2

nn

1

nk

n

T1

Ta

n

1

80

b

b

nk

2

n

Vs

t

Ab

s

1 Rs

1 Rp

dR

t

Rs

Rpn

k

2

t2

Rs

Rp

nk

2

nn

1

nk

n

T1

Ta

n

1

80

;

Qb

b

Out

[25]

=0

.1

73

82

Ab

s

10

M

1.

36

79

44

23

.6

12

10

M

In[2

6]:=

Qb

el

t

Qs

p

Qs

b

Qb

b;

In[2

7]:=

4

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

In[2

8]:=

Te

xt

Ce

ll"

Uk

up

ni

gu

bi

ci

sn

ag

eu

va

ri

ja

to

ru

:"

,"

Su

bs

ec

ti

on

"

Out

[28]

=U

kupn

i gub

ici s

nage

u v

arija

toru

:

In[3

5]:=

Pl

otQ

be

lt

,M

,2

0,

10

0,

Ax

es

La

be

lO

b.

mo

me

ntN

m,

Fr

ik

ci

on

ig

ub

ic

iW

,

Pl

ot

Ra

ng

e0

,1

30

0,

Ax

As

pe

ct

Ra

ti

o

11

.5

,P

lo

tL

ab

el

"U

ku

pn

if

ri

kc

io

ni

gu

bi

ci

sn

ag

eu

va

ri

ja

to

ru

Qb

el

t"

,P

lo

tS

ty

le

Out

[35]

=

020

4060

8010

0O

b.m

omen

tNm

200

400

600

800

1000

1200

Frik

cion

igub

iciW

U

kupn

ifrik

cion

igub

icis

nage

uva

rijat

oru-

Qbe

lt

In[3

6]:=

Qb

el

td

Ta

bl

eQ

be

lt

,M

,2

0,

10

0,

10

;Q

be

lt

d

Out

[36]

=4

78

.8

5,

52

9.

54

9,

58

0.

24

8,

63

0.

94

7,

68

1.

64

6,

73

2.

34

6,

78

3.

04

5,

83

3.

74

4,

88

4.

44

3

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

5

In[3

7]:=

Te

xt

Ce

ll"

Po

je

di

na

cn

ig

ub

ic

i:

",

"S

ub

se

ct

io

n"

Out

[37]

=Po

jedi

nacn

i gub

ici:

In[3

8]:=

Pl

otQ

sp

,M

,2

0,

10

0,

Ax

es

La

be

lO

b.

mo

me

ntN

m,

Fr

ik

ci

on

ig

ub

ic

iW

,

Pl

ot

Ra

ng

e0

,1

00

0,

Ax

es

As

pe

ct

Ra

ti

o

11

.5

,P

lo

tL

ab

el

"F

ri

kc

io

ni

gu

bi

ci

iz

me

dj

us

eg

me

na

ta

ir

em

en

ic

e

Qs

p"

,P

lo

tS

ty

le

Out

[38]

=

020

4060

8010

0O

b.m

omen

tNm

200

400

600

800

1000

Frik

cion

igub

iciW

Frik

cion

igub

icii

zmed

juse

gmen

ata

irem

enic

e-Q

sp

6

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

In[3

9]:=

Pl

otQ

sb

,M

,2

0,

10

0,

Ax

es

La

be

lO

b.

mo

me

ntN

m,

Fr

ik

ci

on

ig

ub

ic

iW

,

Pl

ot

Ra

ng

e0

,1

70,

Ax

es

OA

sp

ec

tR

at

io

11

.5

,P

lo

tL

ab

el

"F

ri

kc

io

ni

gu

bi

ci

iz

me

dj

us

eg

me

na

ta

iu

nu

tr

as

nj

et

ra

ke

Qs

b"

,P

lo

Out

[39]

=

020

4060

8010

0O

b.m

omen

tNm

50100

150

Frik

cion

igub

iciW

Frik

cion

igub

icii

zmed

juse

gmen

ata

iunu

trasn

jetra

ke-

Qsb

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb

7

In[4

0]:=

Pl

otQ

bb

,M

,2

0,

10

0,

Ax

es

La

be

lO

b.

mo

me

ntN

m,

Fr

ik

ci

on

ig

ub

ic

iW

,

Pl

ot

Ra

ng

e0

,5

00,

Ax

es

OA

sp

ec

tR

at

io

11

.5

,P

lo

tL

ab

el

"F

ri

kc

io

ni

gu

bi

ci

iz

me

dj

ut

ra

ka

uk

ai

su

Qb

b"

,P

lo

tS

ty

leT

hi

ck

n

Out

[40]

=

020

4060

8010

0O

b.m

omen

tNm

100

200

300

400

500

Frik

cion

igub

iciW

Fr

ikci

onig

ubic

iizm

edju

traka

uka

isu-

Qbb

8

Gubic

i u v

arijat

oru

.nb


12.4 Modeliranje proračuna gubitaka snage u varijatoru uz pomoć programa Matlab i Simulink

Kod za izračunavanje gubitaka snage CVT varijatora u MATLAB-u:


Slika 12.1: Grafik ukupnih gubitaka snage dobijen u MATLAB-u (apscisa: obrtni moment koji se prenosi [Nm], ordinata: gubici snage [W])

po

l.u

g.

zle

ba

- la

md

a

11

k.t

r. t

raka

-tra

ka

- M

Ibb

1

k.t

r. s

eg

me

nt-

tra

ka

- M

Isb

0.1

Su

m o

f

Ele

me

nts

Sp

os.p

ren

. o

b.m

om

.

ulja

[N

m]

- M

ma

x

18

2

Sila

o d

rug

om

og

ran

ku

[N

] -

T2

0

Ra

sto

jan

je r

am

en

a

se

gm

en

ta d

o

kin

.kr.

[m

] -

dR

-C-

Ra

diu

s P

og

-

on

ske

[m

] -

Rp

-C-

Qsp

1

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

u8

u9

u10

u11

u12

u13

u14

yfc

n

Qsp

Qsb

1

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

u8

u9

u10

u11

u12

u13

u14

yfc

n

Qsb

Qb

elt

Qb

b1

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

u8

u9

u10

u11

u12

u13

u14

u15

yfc

n

Qb

b

Pre

no

sn

i o

dn

os -

K

0.4

4

Osn

o

rasto

jan

je [

m]

- X

-C-

Ob

rtn

i

mo

me

nt

[N

m]

- M

Ma

sa

tra

ke

[kg

/m]

- m

b

2*0

.5

Ma

sa

se

gm

en

ta

[kg

/m]

- m

s

4

M

Ko

eficije

nt

kliz

an

ja [

%]

- S

R

3

De

blji

na

je

dn

e

tra

ke

[m

] -

t

-C-

Brz

ina

tra

ke

[m/s

] -

Vb

11

Brz

ina

se

gm

en

ta [

m/s

] -

Vs

11

Bro

j tr

aka

u k

ais

u -

n

12

Aksija

lna

sila

na

rem

en

ici [N

] -

Fa

x

-C-


Embedovana funkcija za izračunavanje gubitaka snage usled trenja između segmenta kaiša i remenice u SIMULINK-u


Embedovana funkcija za izračunavanje gubitaka snage usled trenja između segmenta kaiša i trake u SIMULINK-u


Embedovana funkcija za izračunavanje gubitaka snage usled trenja između traka u SIMULINK-u


Slika 12.2: Povećanje obtnog momenta koji se prenosi ( apscisa: vreme [s], ordinata: obrtni mmoment [Nm]) - SIMULINK

Slika 12.3: Gubici između segmenta i remenice - Qsp ( apscisa: vreme [s] – u istoj razmeri sa obrtnim momentom [Nm], ordinata: gubici snage [W]) - SIMULINK


Slika 12.4: Gubici između segmenta i trake - Qsb ( apscisa: vreme [s] – u istoj razmeri sa obrtnim momentom [Nm], ordinata: gubici snage [W]) - SIMULINK

Slika 12.5: Gubici između traka - Qbb ( apscisa: vreme [s] – u istoj razmeri sa obrtnim momentom [Nm], ordinata: gubici snage [W]) - SIMULINK


Slika 12.6: Ukupni gubici snage - Qbelt ( apscisa: vreme [s] – u istoj razmeri sa obrtnim momentom [Nm], ordinata: gubici snage [W]) - SIMULINK


13. ZAKLJUČNA RAZMATRANJA

Cilj ovog rada je prezentovanje današnjih trendova u virtuelnom inženjerstvu, uzimajući u obzir nove pravce u tehnici kao i nova rešenja vezana za okolinu u kome se razvijaju proizvodi. Efekat digitalne evolucije na konstrukcijski i proizvodni svet je doveo do korenitih promena u tradicionalnom procesu razvoja proizvoda. Kreativna evolucija virtuelnog inženjerstva nastaviće da generiše još više različitih okruženja za konstruisanje, validaciju, industrializaciju, i proizvodnju proizvoda koji zadovoljavaju potrebe korisnika i potrošača. Savremena izrada fizičkih prototipova (sa CNC mašinama i RP-om) kao i tehnike izrade virtuelnih prototipova nastavljaju da se usavršavaju i da bivaju sve moćnije. Pitanje je koja vrsta prototipa je najpogodnija u specifičnim okolnostima. Različiti kriteriji, uključujući fizičke, operacione i aplikacione zahteve moraju se zadovoljiti uz pomoć izabranih metoda izrade prototipova. Ovi zahtevi uključuju (mada nisu na nih i striktno ograničeni) vreme, troškovi, karakteristike materijala, tačnost modeliranja, pouzdanost, veličina, nivo detalja, itd. Postojeće metode virtuelne i fizičke izrade prototipova mogu a i ne moraju da zadovolje date uslove u zavisnosti od konstrukcionih zahteva. U trci za brzim i ekonomičnim postupkom razvoja proizvoda, neke forme izrade fizičkih prototipova će i dalje biti neophodne u budućnosti, ali sa konstantnim smanjenjem te potrebe. Većina simulacija u virtuelnom razvoju su proučavanja poput FEA analize, proučavanje dinamike kretanja ili analiza mogućnosti montaže, često puta su ove analize izvršene pomoću virtuelnog razvoja pouzdanije i tačnije nego u slučaju kada bi se pravio prototip uz pomoć neke od RP tehnologija. Virtuelno testiranje prototipova je još uvek u fazi razvoja, dok je testiranje fizičkih prototipova dokazano kao veoma pouzdano. Potrebno je izvršiti opširno proučavanje opcija izrade prototipova u budućnosti, naročito kada alati za analizu i testiranje virtuelnih prototipova dostignu svoju zrelost. U nailazećim godinama, adaptacija vrhunskih metoda virtuelne izrade prototipova mogu igrati značajnu ulogu u industrijskom uspehu. Bez obzira na trenutna ograničenja virtuelne izrade prototipova, proizvođači će morati kontinualno da prate dalji razvoj i da se pripreme za njegovu adaptaciju. Ovo sa sobom povlači i potrebne tehničke i organizacione promene. Implementacija virtuelnog razvoja prototipova je lakša ako se izvodi na nivou komponenata nego li na nivou sistema, zbog kasnije nužnosti modeliranja kompleksnih interakcija izmeđi podsklopova i komponenata. VP na sistemskom nivou se može jedino postići punom integracijom proizvodnih i procesnih podataka. Nezavisni alati za VP uglavnom nisu efikasni kao i potpuno integrisani sistem. Ipak, ako je proizvod dovoljno komplikovan, čak i pristupačniji alati za VP mogu omogućiti moćno i isplativo rešenje, naročito ako kasnije mogu da zamene skupe fizičke prototipove.