TESTOVANIE VINUTÝCH PRUŽÍN AUTOMOBILOV PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA

TESTOVANIE VINUTÝCH PRUŽÍN AUTOMOBILOV PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA ABSTRAKT Ing. Michal Dúbravčík, PhD. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra technológií a materiálov Mäsiarska 74, 040 01 Košice michal.dubravcik@tuke.sk Témou príspevku je navrhovanie testovacích stendov pre automobilové komponenty. Proces navrhovania je spojený do komplexného štúdia samotného komponentu. Je potrebné poznať všetky okolnosti vplývajúce na funkčnosť testovaného komponentu a na základe požadovaných vlastností sa skonštruuje testovacie zariadenie. Konštrukcia testovacieho zariadenia by mala byť vhodná a prispôsobiteľná pre rôzne typy komponentov v danej skupine. KLÚČOVÉ SLOVÁ Testovacie stendy, navrhovanie, testovanie, automobilové súčiastky Kvalita odpruženia je daná pomerom odpružených a neodpružených hmôt. Čím je tento pomer vyšší, tým je odpruženie kvalitnejšie. Zjednodušene môžeme napísať, že pri prenose síl behom jazdy pružiny určujú koľko hmotnosti sa prenesie medzi jednotlivými kolesami. SKRUTKOVITÉ TLAČENÉ PRUŽINY Výhodou týchto pružín je ich malá konštrukčná zložitosť, nenáročnosť na údržbu, dobré využitie materiálu pri výrobe a pri rovnakom tlmiacom účinku majú nižšiu hmotnosť ako listové perá. Ich nevýhodou je prakticky nulový samotlmiaci účinok a neschopnosť prenášať posuvné a brzdné sily. Skrutkovité pružiny sa vyrábajú navinutím drôtu kruhového prierezu na požadovaný stredný priemer. Sila stláčajúca pružinu by mala pôsobiť v jej osi. Toto sa dosahuje úpravami záverných závitov pružiny alebo použitím vhodných oporných tanierikov. ÚVOD Testovanie automobilových komponentov je jedna z dôležitých súčastí vývoja automobilových komponentov. Proces vývoja komponentov je založený na neustálom hľadaní kvalitatívne a funkčne najlepšieho riešenia. Pre dosiahnutie požadovanej kvality je potrebné počas celého procesu prevádzať testy prototypov, ale aj testy hotových výrobkov. Individualita komponentov je natoľko veľká, že pre jednotlivé skupiny komponentov je dôležité navrhovať testovacie stendy na mieru. Zabránime tak skresľovaniu výsledkov testovania a posunieme metódy testovania daného komponentu na vyššiu kvalitatívnu úroveň. VINUTÉ PRUŽINY CHARAKTERISTIKA KKOMPONENTU Pružiny sú zariadenia určené k akumulácii mechanickej energie a pracujú na princípe pružnej deformácie materiálu. Úlohou pružín je meniť krátke a tvrdé nárazy na tvrdé nárazy na voľnejšie a mäkšie výkyvy, čiže zmierniť rázy s otrasy karosérie vznikajúce behom jazdy od nerovnosti vozovky, a tým zmenšiť namáhanie rámu, prípadne samonosné karosérie. Ďalšou úlohou pružín je udržiavanie kolies v stálom styku s vozovkou a zachytávanie klopených momentov. Obr.1 Zakončenie skrutkovitých pružín: otvorený neobrobený koniec, otvorený obrobený koniec, uzavretý neobrobený koniec, uzavretý obrobený koniec Obr.2 Operný tanierik Ak požadujeme progresívnu charakteristiku pružiny, je možné ju dosiahnuť niekoľkými spôsobmi: a) pružina s nerovnakým stúpaním závitu, b) pružina s premenným stredným priemerom, c) pružina s premenným priemerom drôtu, d) pružina doplnená o gumový blok, e) použitím viac lineárnych pružín s rôznou charakteristikou, f) kombinácie predchádzajúcich spôsobov. 31

POSTUP VÝPOČTOV LINEÁRNEJ VALCOVEJ PRUŽINY S KONŠTANTNÝM STÚPANÍM A KONŠTANTNÝM STREDNÝM PRIEMEROM π x D L (z + 1,5 + 2 ) cosα. kde L je dĺžka drôtu potrebná na výrobu pružiny. Pružinu je ďalej potrebné kontrolovať na stratu stability vo vzpere. TESTOVANIE PRUŽÍN Obr.3 Namáhanie skrutkovitej tlačnej pružiny c 1 8 8 1 s 1 s 8 h kde c je tuhosť pružiny, 1 je sila vyvinutá pružinou v predpruženom stave, s 1 je deformácia pružiny v predpruženom stave, 8 je sila vyvinutá pružinou v stave plného zaťaženia, s 8 je deformácia pružiny v stave plného zaťaženia, h je pracovný zdvih. τ k M k W k τ Dk kde τ k je napätie v krútení, M k je krútiaci moment, W k je prierezový modul v krútení, τ Dk je dovolené napätie v krútení. M k 8 x D 2 kde D je stredný priemer pružiny. 3 W k 0,2 d teor d teor kde d teor je teoretický priemer pružinového drôtu d d teor x K kde d je skutočný priemer drôtu, K je korelačný súčiniteľ z n + n z kde z je celkový počet závitov, n je počet činných závitov, n z je počet záverných závitov s 8 x D3 x n G x d 4 n kde s je deformácia pružiny, je sila vyvinutá pružinou, G je modul pružnosti v šmyku. t v 0 + d kde t je rozstup činných závitov vo voľnom stave, v 0 je vôľa medzi činnými závitmi pri medznom stlačení. tgα kde α je uhol stúpania t π x D, Z nasledujúceho vzťahu vyplýva, že tuhosť pružiny sa zvyšuje s klesajúcim počtom činných závitov, zmenšujúcim sa priemerom pružiny a naopak s rastúcim priemerom pružinového drôtu a rastúcim modulom pružnosti pružinového drôtu v šmyku. d 4 x G c 8 x n x D 3 kde c je tuhosť pružiny, n je počet činných závitov, G je modul pružnosti v šmyku, D je stredný priemer pružiny, d je priemer pružinového drôtu. Práve tuhosť pružiny je jej základnou charakteristikou. Udáva veľkosť zaťaženia (silu / moment) potrebnú k spôsobeniu jednotkovej deformácie (posunutie/natočenie) a pre pružinu zaťaženou ťahom/ tlakom je daná vzťahom: c d ds A pre pružinu zaťaženú krutom c dm dβ kde M je krútiaci moment zaťažujúci pružinu, β je uhol skrútenia pružiny. Spôsob merania charakteristík valcový pružín Cieľom testovania týchto pružín je získanie závislosti stlačenie pružiny na zaťažujúce sile. Meranie sa vykonáva na špeciálnom meracom prípravku. Pružina je do neho umiestnená a zaťažovaná. Počas zaťažovania sú odpočítané hodnoty jej stlačenia v závislosti na sile stlačenia, ktoré sú následne vynesené do grafu. Presnosť merania veľmi ovplyvňuje tuhosť rámu meracieho zariadenia a spôsob merania dĺžky stlačenia. Zaťažovaciu silu možno vyvodiť mechanicky (hrebeňovým prevodom, pohybovou skrutkou, ozubeným hrebeňom ), hydraulicky ( hydraulický piest ) alebo elektricky ( elektromotor v spojení s pohybovou skrutkou alebo hrebeňovým prevodom).pre konštrukciu závislosti je potrebné túto silu počas stláčania merať. To možno buď použitím tenzometrov, alebo prepočtom tlaku v hydraulickom systéme, ak je ním tester vybavený. Hodnotu stlačenia možno odčítať z mechanických meradiel, alebo použitím elektronického merania (posuvný potenciometer, vstavané posuvné meradlo).

Výhodou mechanických spôsobov vyvodzovania a merania sily a meranie stlačenia je nezávislosť na vonkajšom zdroji energie a tým aj veľká mobilita zariadenia. Ich nevýhodou je však nepresnosť vzniknutá spôsobom odčítania hodnôt. Pri použití elektronického merania stlačenia a veľkosti zaťažujúcej sily možno meracie zariadenie prepojiť s počítačom a ľahko tak vytvárať grafy závislostí. Konštrukcia testerov dostupných na trhu Konštrukcie testerov dostupných na trhu sú rozdielne, a to v závislosti na parametroch pružín, ktoré možno na testeroch merať a v závislosti na presnosti merania. Aby nedochádzalo pri zaťažovaní pružiny k jej vybočeniu, musia byť dosadacie plochy rovnobežné a pokiaľ nemá pružina do roviny brúsené záverné závity, musí byť medzi koniec pružiny a dosadaciu plochu umiestnený tvarový člen. Dosadacia plocha by mala byť vybavená lemom alebo ochranným krytom, ktorý zabráni vystreleniu pružiny z testera počas merania. Konštrukciu testerov môžeme rozdeliť do dvoch skupín. 1 ) Jednoduché zvárané konštrukcie Sú väčšinou zvárané z normalizovaných polotovarov. Na vyvodenie zaťažovacej sily sa obvykle používajú hydraulické piestové zdviháky. Výhodou tejto konštrukcie je jej jednoduchá a lacná výroba. Ich nevýhodou je pomerne nepresné dávkovanie sily a tým ťažšie nastavovanie vopred daných hodnôt stlačenia alebo sily. 2 ) Špeciálna konštrukcia U týchto konštrukcií býva priečnik, ktorý stláča pružinu pri meraní, poháňaný guličkovými skrutkami v spojení s elektromotorom. Výhodou guličkových skrutiek je ľahké vymedzovanie vôle a hladký chod. Tento typ pohonu tak umožňuje plynulý pohyb priečnika, ktorý možno opakovane zastaviť v rovnakej polohe, čo sa dá využiť napríklad pri cyklickom zaťažovaní pružín. Ďalšou výhodou týchto testerov je podstatne vyššia rýchlosť pohybu priečnika. U niektorých špeciálnych testerov možno merať bočnú silu. Tá môže vzniknúť zlým umiestnením pružiny do držiakov mimo os zariadenia meracieho silu stláčania. Zaťažovacia sila potom nepôsobí v osi pružiny a do merania je vnášaná chyba. Meraním tejto bočnej sily možno však meranie spresniť. Niektoré tester sú schopné merať priehyby rámu a tieto zahrnúť do výsledkov merania a tým ho veľmi upresnia. Tieto testery bývajú väčšinou dodávané aj so softvérom na spracovanie dát. KONŠTRUKČNÝ NÁVRH TESTOVACIEHO ZARIADENIA Návrh rozmerov testera, častí slúžiacich na vyvodenie a meranie sily a meranie dĺžky stlačenia pružiny vychádza z parametrov pružín bežných osobných a pretekárskych automobilov. Konštrukcia testera bola volená s ohľadom na jednoduchosť výroby a cenovú dostupnosť jednotlivých dielov. Tester sa skladá zo zostavy rámu, zariadenia slúžiaceho na vyvodzovanie sily na stlačenie pružiny, zariadenia na meranie dĺžky stlačenia pružiny a zariadenia meracieho silu stláčania. Východzie charakteristiky pre návrh testovacieho zariadenia. Približné vzťahy pre určenie napätosti v skrutkových valcových pružinách možno určiť superpozíciou napätostí od šmyku a krútenia. S posuvným a otáčavým účinkom zaťažujúcej sily sú v priereze pružiny v rovnováhe vnútorné silové veličiny T a M k.r - výslednice napätí od šmyku τ s a krútenia τ m. Napätie v ľubovoľnom bode prierezu pružiny dostaneme vektorovým súčtom týchto napätí. Obr.4 Sily pôsobiace v pružine Z obrázku je zrejmé, že maximálne výsledné napätie bude v bodoch prierezu najbližších k osi pružiny (bod A) a nadobudne hodnotu 4. 16.. R Iτ max I τ s + τ m + π. d3 π. d 3 a po úprave τ max 16.. R τ. d 3. 1 + d 4. R 33

Ak je priemer drôtu pružiny d voči polomeru valcovej pružiny R malý, približne platí 16.. R τ max π. d 3. Pri presnom výpočte valcových skrutkových pružín je potrebné okrem šmyku a krútenia zohľadniť aj ohyb a ťah, ktorý sa uplatní tým viac, čím viac je pružina deformovaná. Pretože krútenie má na namáhanie pružiny rozhodujúci vplyv, pri výpočte vyjadrujeme účinok ostatných namáhaní ( šmyk, ohyb, ťah ) opravným koeficientom κ, takže 16.. R τ max κ.. πd 3 Hodnoty opravného koeficientu κ ú s funkciou pomeru polomeru valcovej pružiny a polomeru drôtu. Pružiny pracujúce ako tlmiče kmitov musia absorbovať kinetickú energiu E k tlmenej hmoty. Potrebný minimálny objem pružiny určíme zo vzťahu V 4. G. E k 2 τ D Pružina teda musí vyhovovať pevnostnej a tuhostnej podmienke a súčasne jej minimálny objem musí byť rovný podľa daného vzťahu. Deformácie skrutkových pružín najvýhodnejšie určíme energetickými metódami. Ak celá deformačná práca sa v pružine akumuluje vo forme potenciálnej energie napätosti, potom LU, pričom L.δ, U 1 M 2 k ds 2 2 (s) GJ p Ak do vzťahu dosadíme M k.r, J p π.d4 a integrujeme po celej dĺžke drôtu pružiny, dostaneme 1 2.. δ 1 2. 2. R 2. 2. π. R. n π. d4 G. kde n je počet závitov skrutkovej valcovej pružiny. Po úprave rovnice pre deformáciu platí δ 64. R3. n. 64. d 4 A zaťažujúca sila G.d4.δ k. δ, 64.R 3.n pričom k je tzv. tuhosť pružiny. Analogicky možno určiť deformáciu kužeľovej skrutkovej pružiny vzťahom 16.. n δ G. d 4. (R 1 2 + R 2 2 ). (R 1+ R 2 ) pričom R 1 je najmenší a R 2 je najväčší polomer závitu pružiny. Materiál pre výrobu rámu sme zvolili oceľ 11 523, ktorá má do hrúbky 25 mm zaručenou zvariteľnosť a je vhodná pre zvárané konštrukcie namáhané ako staticky tak aj dynamicky. Materiál pre výrobu čapov sme zvolili oceľ 11 600, ktorá je vhodná pre súčasti vystavené veľkému tlaku, ako sú napr kliny alebo čapy. Pre prvotný návrh prierezov jednotlivých častí sme vychádzali z tabuľky mechanických hodnôt základných konštrukčných materiálov v ST [10]. Vzhľadom k absencii materiálu 11 523 v tejto tabuľke sme použili hodnoty materiálu 11 500. Vzhľadom k charakteru namáhanie rámu v priebehu merania som volili dovolené napätia pri statickom namáhaní. Čap zaisťujúci priečnik v ráme Výpočet čapu na šmyk: τ s n s. s č 4. < τ Ds d č n s. τ Ds. π n s. π. d č 2 4 4.50 000 13.7 mm 4.85. π kde τ s je napätie vo strihu, τ Ds je dovolené napätie v strihu, je zaťažujúca sila, n s je počet strižných plôch čapov, S č je prierez čapu, d č je priemer čapu. Noha rámu Výpočet nohy rámu na otlačenie v mieste čapu: p 50 000 < p n s. S D S p p n p. p D 4.120 104mm 2 kde p je tlak vznikajúci od čápového spoja, p d je dovolené napätie v otlačeniu, n p je počet otlačovaných plôch, S p je prierez v mieste otlačenia. Noha rámu bude zhotovená z oceľovej rúrky tvárnenej za tepla o rozmeroch 50 x 35 mm s hrúbkou steny 5 mm. Z toho vyplýva priemer diery pre čap: S p d č. t d č S p t 104 20,8 mm 5 Z tohto vyplýva, že priemer čapu musí byť zväčšený na 21 mm. Výpočet nohy rámu na ťah: σ < σ n t. S D S t 50 000 t n. σ D 2.140 179 mm 2 kde σ je napätie v ťahu, σ D je dovolené napätie v ťahu, n t je počet plôch, v ktorých pôsobí ťahové napätie, S t je prierez nohy rámu v mieste diery na čap. 34

K tejto ploche je nutné ešte pripočítať plochu, ktorú odoberá diera v mieste čapu. PEVNOSTNÁ ANALÝZA RÁMU S 2. S p + S t 2. 104 + 179 387 mm 2 kde S je prierez nohy rámu v mieste bez diery na čap. Plocha prierezu obdĺžnikové rúry je 750 mm 2. Tento profil je tak viac než dostačujúci. Priečnik Výpočet priečniku na ohyb: σ o M o < σ W Do W o M o o σ Do 6.. l. l 4 σ Do b. h2 6 6.50 000.235 4.150 b. h 2 4. σ Do 117 500 mm 3 kde σ o je napätie v ohybe, σ Do je dovolené napätie v ohybe, M o je ohybový moment, W o je prierezový modul v ohybe, l je vzdialenosť vertikálnych osí nôh rámu, b je šírka priečnika, h je výška priečnika. Ako možno vidieť na predchádzajúcich obrázkoch, priečnik je zostavený z dvoch samostatných priečnikov, preto je v nasledujúcom výpočte počítame iba s polovičným prierezovým modulom v ohybe. Rozmery priečnika h a b: Z ST sme zvolili šírku B 20 mm, h je potom : W o h 2 b 58 750 58 750 54 mm b 20 takže výsledné rozmery priečniku sú h 54 mm, b 20 mm. 3D NÁVRH TESTOVACIEHO STENDU Obr.6 Pevnostná analýza rámu testovacieho stendu ZÁVER Navrhnutým testovacím stendom je možné testovať ľubovoľnú vinutú pružinu po celú dobu jej životnosti. Simuláciou rôznych síl a rýchlostí je možné navodiť stavy, ktoré sú pre automobil v prevádzke bežné, ale aj extrémne podmienky cyklického zaťaženia a silového namáhania. Navrhovanie testovacieho stendu je dôležitý proces pri testovaní automobilových komponentov. Vhodne zvolený dizajn testovacieho stendu nám zabezpečuje relevantné výsledky testov a urýchľuje proces product dizajnu. LITERATÚRA [1] Milan Kováč, Michal Dúbravčík: Testovanie v automobilovej výrobe učebný text - 1. Vyd; Košice : TU, Sj - 2011. - 120 s.. - ISBN 978-80-553-0828-9. [2] Málik Ladislav, Medvecký Štefan [et al.]. Časti a mechanizmy strojov, 1. vyd. Žilina: Žilinská univerzita, 2003. 535 s.: ISBN: 80-8070-043-5 (viaz.) [3] M. Babej a kol.: Zadanie z predmetu Testovanie automobilov a komponentov 2013. Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu "Kompetenčné centrum znalostných technológií pre inovácie produkčných systémov v priemysle a službách" (ITMS: 26220220155), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Obr.5 Návrh testovacieho zariadenia 35