1

DYNAMICKÝ TESTER NAPÍNÁKU ŘEMENE

SVOČ – FST 2015

Bc. Emil Černý

Západočeská univerzita v Plzni,

Univerzitni 8, 306 14

Česká Republika

ABSTRAKT

Diplomová práce se zabývá konstrukcí mechanismu, který bude vysokofrekvenčně zatěžovat napínák řemene.

Cílem dynamického zatěžování je rychlé ustálení hysterezní charakteristiky napínáku řemene. Po dynamickém

zatěžování navržený mechanismus provede změření hystereze napínáku. V práci je proveden rozbor sil působících

v mechanismu při vysokofrekvenčním zatěžování pomocí analytických pohybových rovnic a dynamické analýzy

v programu NX9.

KLÍČOVÁ SLOVA

Napínák řemene, rotační excentr, hystereze, dynamická simulace, pohybová simulace, MKP analýza

KEYWORDS

Belt tensioner, rotary eccentric, hysteresis, dynamic simulation, motion simulation, FEM analysis

1. ÚVOD

Napínák řemene je komponenta předepínající ozubený rozvodový řemen, který pohání různé prvky a

příslušenství v automobilu. Mezi nejčastěji poháněné prvky patří alternátor, kompresor klimatizace a pohon

příslušenství s klikovou hřídelí. Sestava napínáku je složena ze dvou hliníkových odlitků, těla pevně spojeného s

motorem a otočné části s rotační kladkou. Tělo napínáku je s otočnou částí rotačně spojeno středovým čepem a

předepnutou šroubovou pružinou. Za pružinou je sériově připojen tlumící element složený z kovového a plastového

pásku. Při vzrůstajícím momentu na pružině napínáku, se tyto pásky dostanou do kontaktu s horní stěnou těla napínáku.

Tento kontakt vyvodí třecí sílu, která tlumí vibrace působící na kladku napínáku. Toto třecí tlumení ale též způsobuje

výrazné hysterezní chování sestavy napínáku řemene, kdy zatěžující momentová větev je větší, než odlehčující větev.

V současnosti se hystereze jednoho každého napínáku měří v automatické výrobní lince při sestavování. Toto měření

následuje po jednom pracovním cyklu napínáku.

Výrobní linka, spolu s dalšími při výrobě napínáku naměřenými parametry, vyhodnotí a vyřadí nevyhovující

napínáky jako vadné. V současnosti se zmetkovitost výroby jen z důvodu nevyhovující hysterezní charakteristiky

pohybuje v jednotkách procent. Vzhledem k tisícovým sériím napínáků, které se vyrobí každý den, to ovšem

představuje nezanedbatelné ekonomické i ekologické ztráty.

V diplomové práci je proveden návrh a konstrukce dynamického testeru napínáku řemene. Základním

požadavkem ze zadání práce, je co možná nejrychlejší a nejpřesnější měření hysterezní charakteristiky napínáku

řemene. Zvýšení přesnosti měření bude docíleno ustálením hysterezní charakteristiky dynamickým rozcvičením o

frekvenci 50Hz. Tato frekvence je zadaná zadavatelem diplomové práce. Jednotlivé měřené napínáky se budou typově

lišit, takže je třeba vyřešit rychlou a snadnou možnost výměny uložení podle typu napínáku.

Obr. 1: Pohled na napínák Daimler OM 651

2

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Mo

me

nt

nap

ínák

u [

Nm

]

Úhel natočení napínáku [°]

Měření 1x

Měření 11x

Měření 61x

Měření 161x

2. ŘEŠENÍ PROBLÉMU

2.1. Současný stav techniky V současnosti je měření hystereze prováděno přímo na výrobním stroji, kde se sestava napínáku montuje

z několika základních dílů. Výrobní stroj jednou rozcvičí napínák, tedy provede zatížení a odlehčení. Po tomto

zaběhnutí se provede vlastní měření hystereze rychlostí 0.1 m/s. To je obvodová rychlost ve středu kladky napínáku. Na

výrobním stroji v současnosti není možné provádět více pracovních cyklů napínáku, protože by to výrazně zvýšilo jeho

strojní čas, což je nepřípustné. Pro podrobnější měření existuje další měřící stroj, který je určen čistě na měření

hystereze. Měřící stroj zabíhá a měří napínák stejnou rychlostí, to znamená, že měření o sto šedesáti pracovních cyklech

trvá zhruba deset minut. Hlavní měřící pohyb stroje je vykonán servo motorem. Při počtu napínáků, které je třeba

zkontrolovat, je možné použít stroj měřící hysterezi jen pro doplňková měření a testování, která se používají při

nárazových měřeních. Není tak schopen změřit všechny napínáky, které jsou vyrobeny na výrobním stroji.

2.2. Analýza problému Pro správný a přesný návrh stroje je klíčové znát charakter a parametry procesu, který má stroj vykonávat. V

tomto konkrétním případě, je jasně známý charakter zkoušených výrobků, které se budou vysokofrekvenčně testovat.

Jedná se zjednodušeně o stlačování a odlehčování hmoty s pružinou a tlumením. Co se týče parametrů napínáku, už

situace není tak snadno vyčíslitelná. Tuhost napínáku totiž není dána jen samotnou pružinou, ale i třecím elementem,

který vyvozuje tlumení a ovlivňuje tuhost celého mechanismu. Navíc tlumení se zvyšuje s momentem vyvíjeným

pružinou, protože je vyvozováno páskem přímo napojeným do série za pružinu. Jako nejspolehlivější postup se jeví

experimentální měření daného typu napínáku a zjištění závislosti

momentu napínáku na úhlu natočení.

Pro získání závislosti momentu na úhlu natočení napínáku

při měřící rychlosti 0,1m/s bylo provedeno experimentální

měření přímo v Žebráku ve výrobní hale. Byly měřeny tří

napínáky typu Dailmer OM651. Data získaná z měření byla

vygenerována do textového formátu, aby mohla být zpracována

v programu MS Excel. V něm bylo možné porovnání změn

hystereze po každém rozcvičení u každého měřeného napínáku.

V grafu je jasně patrné snížení rozsahu hystereze o 45%.

Jestliže se podaří zpřesnit měření hystereze rozcvičením

napínáku ustálením jeho hysterezní charakteristiky, mělo byt tak

dojít k zpřesnění jeho měření a ke snížení zmetkovitosti. Z grafu

1Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je patrné snížení a vyrovnání

hystereze po zaběhnutí o sto šedesáti pracovních cyklech. Vyšší

počet pracovních cyklů již zřejmě nemá výraznější vliv na

ustálení hystereze.

Obr. 2 Data získaná z experimentálního měření

Obr. 3: Rozstřel napínáku

Daimler OM 651 Graf 1: Vyrovnání hysterezní charakteristiky při zabíhání

3

2.3. Návrh funkční a orgánové struktury Vzhledem k tomu, že navrhovaný dynamický tester je experimentální a specifický mechanismus, je třeba k

návrhu přistoupit komplexně a systematicky. Pro tento účel je popsán Transformační systém navrhované problematiky.

A jsou definovány jednotlivé funkce, které jsou požadovány po obsluze, technickém systému stroje a navigačních

systémech. V tomto přehledu bohužel není na jejich výčet prostor, je tedy vyobrazen jen samotný diagram

transformačního procesu. Dále jsou definovány základní orgány, které budou tyto funkce zajišťovat.

Obr. 4: Diagram transformačního procesu [1]

Se získanými znalostmi a přehledem

funkcí navrhovaného dynamického testeru

jsou vytvořeny návrhy koncepcí základních

částí dynamického testeru. V diplomové

práci je vytvořeno sedm koncepcí tří

základních částí testeru. Na základě jejich

hodnocení je sestavena výsledná orgánová

struktura dynamického testeru.

Dále je proveden rozbor jednotlivých

operací, které se budou při procesu zabíhání

a měření napínáku řemene vykonávat. Tyto

procesy jsou seřazeny a vytvořen diagram

jejich posloupností a závislostí. Diagram je

zobrazený níže.

Obr. 5 Orgánová struktura navrženého dynamického testeru

4

2.4. Návrh a hodnocení úplné stavební struktury Návrh je rozdělen do konstrukce několika dílčích celků. Jedná se o návrh měřící hřídele, sestavy excentru, celého

dynamického testeru a hysterezní stanice.

Sestava měřícího hřídele musí umožnit uložení měřeného

napínáku. Typ napínáku se může měnit, a proto je vhodné zajistit

možnost výměny jeho uložení. Dále sestava musí obsahovat měřící

element, který v závislosti na úhlu natočení bude měřit velikost

kroutícího momentu na měřeném napínáku. Jako snímač momentu je

použit typ TB1A od společnosti HBM. Snímač má horní hranici

kroutícího momentu, který může měřit, o velikosti 200 Nm.

Maximálním kroutící moment, při kterém může dojít k poškození

snímače je 400 Nm. Maximální frekvence, při které může snímač

měřit, je 65 Hz. Při frekvenci rotace excentru 50 Hz tak bude snímač

schopen zjišťovat moment působící na měřící hřídeli. To může být

výhodné pro zjištění přesné hodnoty momentu napínáku při

vysokofrekvenčním zabíhání.

Samotné odměřování úhlu natočení bude prováděno přímo

servo pohonem. Toto odměření je pro danou aplikaci dostatečně

přesné. Pro tlumení vibrací při vysokofrekvenčním zabíhání a

kompenzování možných výrobních nepřesností, bude mezi hřídel a

měřící element vložena spojka Rotex s označením: 24 92-Sh-A 1a1.

Tato spojka se pomocí per připojí k měřící hřídeli a k horní přírubě

snímače. Spojka umožňuje mírné vyosení a natáčení spojovaných

prvků.

Navržená sestava excentru je “samo“ vyvažovací. To znamená, že při nastavení velikosti excentricity se vzájemně

nastaví kotouče excentru a díky jejich vzájemně posunutým osám rotace se těžiště excentru vždy nachází na ose jeho

rotace. Po nastavení velikosti excentricity se sestava aretuje upínací maticí.

Horní část hřídele excentru má

osu rotace posunutou o 10 mm a zčásti

tak vyvozuje excentricitu hřídele. Na

této ose je uložena excentrická vložka,

která svojí rotací kolem posunuté osy

hřídele umožňuje vynulovat, nebo

také zdvojnásobit jeho excentricitu.

Celá jednotka dynamického

testeru spojuje dvě výše navržené

sestavy. Ty jsou uloženy ve

svařencích, které jsou přišroubovány

k základní desce. Kladka napínáku a

řemenice excentru jsou spojeny

řemenem. Celá sestava musí být

navržená tak, aby odolala

vysokofrekvenčnímu působení při

zabíhání řemene.

Obr. 6: Pohled na sestavu měřícího hřídele

Obr. 7: Řez sestavy excentru Obr. 8: Pohled bez stavěcího kotouče

Obr. 9: Jednotka dynamického testeru

5

V diplomové práci je poté proveden rozbor dynamického chování navrženého testeru. Dílčím

cílem je predikování dynamického chování testeru a určení sil, které budou působit při

vysokofrekvenčním zabíhání. Vstupní parametry napínáku byly zjištěny experimentálním

měřením. Jak se ale později ukázalo, zejména jeho tlumení je výrazně závislé na rychlosti

zatěžování. Proto jsou v diplomové práci vytvořeny dva výpočty. Prvním je analytický výpočet

s uvažováním setrvačnosti hmot pomocí principu virtuálních prací [2]. Ten nebude uvažovat

hysterezní vlastnosti napínáku. Druhým je pohybová simulace v programu NX9. Která poskytne

podrobnější a komplexnější informace o rozložení a velikostech sil působících v dynamickém

testeru. Obě simulace budou poté porovnávány, aby byla potvrzena rámcová podobnost jejich

výsledků.

Moment na hřídeli excentru, který vychází z rovnováhy virtuálních prací v mechanismu:

Při práci s pohybovou simulací bylo

zjištěno, že výsledný průběh i velikosti

porovnávaného momentu na hřídeli excentru se

výrazně mění s nastavením tlumení napínáku

řemene. Toto tlumení se navíc mění v čase, protože

rychlost kladky zatěžování se kvůli typu

mechanismu testeru s časem mění. Pro přesnou

numerickou simulaci vysokofrekvenčního zabíhání

napínáku řemene, je tak třeba experimentálního

měření tlumení napínáku, které by simulovalo

zkoumaný děj. Na základě vypočtených sil

v mechanismu, bylo provedeno dimenzování a

hodnocení navrženého dynamického testeru

z hlediska deformací, napětí a vlastních frekvencí.

Všechna tato hodnocení navržený dynamický tester

splnil.

Poslední částí návrhu je vytvoření celé hysterezní stanice, která ponese sestavu dynamického testeru. Stanici

lze rozdělit na dvě pracoviště. Prvním z nich je pracovní prostor zabíhání a následného testování napínáku řemene.

Druhým pracovištěm je vyhodnocovací počítač, který zaznamenává a vyhodnocuje naměřenou hysterezní

charakteristiku. Následně generuje kód pro značení mikro bodem. Pokud naměřená charakteristika není v daných

mezích a napínák je určen jako vadný, otevře se víko uzavírající prostor na zmetky. Když je do tohoto prostoru vložen

nevyhovující napínák, sepne v něm senzor a víko je opět automaticky uzavřeno.

Stanice je vybavena řadou doplňkových dílů. Obsahuje systém zpracovávací tlakový vzduch, který je rozváděn

po výrobní hale. Systém reguluje tlakový vzduch pro jeho použití ve stroji. Na horní desce stolu jsou prvky pro

připojení elektroinstalace. Dále stanice obsahuje vlastní rozvaděč.

Obr. 12: Navržená hysterezní stanice s dynamickým testerem

Obr. 10: Model výpočtu

(1)

Obr. 11: Porovnání analytického výpočtu a pohybové simulace

6

2.5. Závěr a doporučení Cílem diplomové práce bylo navrhnout mechanismu dynamického testeru, který bude vysokofrekvenčně zabíhat

různé typy napínáků řemene o frekvenci 50 Hz. Při řešení diplomové práce byl kladen důraz na co nejkomplexnější

návrh a řešení zadané problematiky. Za tímto účelem byly v práci popsány požadované funkce jednotlivých prvků a byl

sestaven transformační systém, který tyto funkce musí vykonávat. V diplomové práci je také vytvořen podrobný rozbor

problematiky, která se týká popisu dynamického chování testovaného napínáku řemene.

V diplomové práci je proveden návrh stavební struktury dynamického testeru. Ten vychází z několika koncepčních

variant jednotlivých konstrukčních částí. Velice zajímavá je konstrukce “samo“ vyvažovací sestavy excentru. Ta má

nastavitelnou velikost excentricity od nuly do dvaceti milimetrů. Při každém nastavení excentricity je ale rotující

sestava vyvážená. Toho je docíleno díky soustavě několika kotoučů, které mají navzájem posunuté osy rotace. Další

výhodou navržené sestavy excentru je rychlé a přesné nastavení požadované hodnoty excentricity. Celou sestavu

dynamického testeru, kromě příliš dlouhého servo motoru s převodovkou, lze složit mimo hysterezní stanici. Do stanice

se pak vloží pomocí pomocného jeřábu, následně se k testeru připojí servo motor s převodovkou a připojí se elektrické a

pneumatické prvky.

Návrh konstrukce dynamického testeru je proveden se snahou co nejlepšího pochopení a popsání procesu, který

bude tester vykonávat. Proto byl ve výrobním závodu společnosti Mubea v Žebráku proveden experiment, s cílem

zjištění parametrů testovaného typu napínáku. Tyto parametry byly použity pro analytickou a numerickou simulaci.

Analytický výpočet, pomocí principu virtuálních prací, byl srovnáván pro ověření s numerickou pohybovou simulací v

programu NX 9. Cílem tohoto postupu bylo určení vlivu dynamických účinků, které budou vznikat při provozu

dynamického testeru, na silové zatížení navrhovaného mechanismu. Jak se ale následně ukázalo, klíčovým faktorem je

přesná znalost tlumení napínáku. Tlumení je vyvozováno třecí silou mezi plastovým kroužkem a stěnou horní pohyblivé

části napínáku. Třecí síla je závislá na velikosti kroutícího momentu na napínáku a rychlosti zatěžování napínáku.

Velikost tlumení napínáku zásadně ovlivňuje průběh i velikost silového zatížení působícího na mechanismus. Pro jeho

přesné vyčíslení je ovšem třeba provést experimentální měření, které by získalo potřebné parametry napínáku do

pohybové simulace.

Hysterezní stanice, která obsahuje dynamický tester pro vysokofrekvenční zabíhání napínáku řemene, je pracoviště

určené pro experimentální ověření vlivu zabíhání napínáku řemene, na měření jeho hystereze. Navržená sestava

dynamického testeru může významným způsobem přispět ke snížení zmetkovitosti ve výrobě napínáků řemene z

důvodu nevyhovující hystereze. Potvrzení tohoto předpokladu, mimo zjištění parametrů napínáku řemene, bylo cílem

experimentálního měření v Žebráku. Toto měření potvrdilo, že se zvyšujícím počtem pracovních cyklů napínáku, jeho

hysterezní charakteristika významným způsobem ustaluje a vyrovnává. Denní produkce napínáků řemene různých typů

jen v Žebráku dosahuje objemu až třiceti tisíc kusů, snížení zmetkovitosti je proto velice důležité a přináší

nezanedbatelný pozitivní finanční i ekologický dopad.

PODĚKOVÁNÍ

Rád bych poděkoval panu profesorovi Stanislavu Hosnedlovi a panu inženýrovi Petru Švingerovi, ze společnosti

Mubea, za velice cenné zkušenosti nejen z oblasti navrhování a konstrukce úlohy řešené v mojí diplomové práci.

V neposlední řadě bych rád poděkoval panu inženýrovi Petru Bernardinovi, za všechnu trpělivost a čas, které

vyžadovaly naše společné konzultace.

LITERATURA

[1] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů, Přednáška z předmětu KKS/ZKM, ZČU, Plzeň, 2012.

[2] Dupal, J.: Mechanika 3, Skripta ZČU v Plzni, Plzeň, 2012.