VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND ROBOTICS KLIKOVÝ LIS 50 S PŘÍMÝM POHONEM CRANK PRESS 50 WITH DIRECT DRIVE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. Pavel Čupr Ing. Jiří Omes, Ph.D. BRNO 016

2

3

4

5 ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá návrhem jednobodového klikového lisu s přímým pohonem. Klikový lis má stojan tvaru O s přístupem do pracovního prostoru ze dvou stran. Úvodní část této práce popisuje principy pohonů mechanických lisů, uspořádání pohonů lisů s přímým pohonem a některá koncepční řešení stojanů. V hlavní části této práce je proveden výpočet základních parametrů pohonu lisu. Jsou zde navrženy tři konstrukční varianty. Byla vybrána varianta s nejmenšími zástavbovými rozměry a dobrou přístupností k pracovnímu prostoru lisu. U této varianty byl proveden výpočet hlavního hřídele a vstupního hřídele do planetového převodu, výpočet velikosti brzdy a pevnostní výpočet planetového převodu na ohyb a dotyk. Součástí této práce jsou i výkresy sestavení lisu, sestavní výkres pohonu lisu, výkres stojanu a výkres satelitu navrženého planetového převodu. ABSTRACT This thesis deals with the design of the single point crank press with direct drive. This crank press has an O-shaped stand and an access to the workspace from two sides. The introductory part of this paper describes the principles of mechanical presses drives, drives arrangement presses with direct drive and some conceptual solution stands. The main part of this work is a calculation of basic drive parameters of the press. There are suggested three design variants. The design with the smallest space requirements and good accessibility to the press working space was chosen. The calculation of the main shaft, the input shaft to the planetary gearing and calculation of brake sizes and the planetary gear to the bend and tough was done. Part of this thesis also includes technical drawing of the assembly press, technical drawing of the drive press, technical drawing of the stand a technical drawing of the satelitte gearwheel. KLÍČOVÁ SLOVA mechanický lis, jednobodový klikový lis, přímý pohon, servolis KEYWORDS mechanical press, single point crank press, direct drive, servo press

6

7 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ČUPR, P. Klikový lis 50 s přímým pohonem, Brno, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. 016, 85 s., Vedoucí diplomové práce Ing. Jiří Omes, Ph.D.

8

9 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Omesovi, Ph.D. za pomoc, rady a cenné připomínky při zpracování práce.

10

11 ČESTNÉ PROHLÁŠ ENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Jiřího Omese, Ph.D. a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 7. května 016 Pavel Čupr

12

13 OBSAH 1 ÚVOD POHONY, MECHANISMY A KONCEPCE MECHANICKÝCH LISŮ Principy pohonu mechanických lisů Uspořádání pohonu u lisů s přímým pohonem Jiná koncepce pohonu servolisů Synchronní elektromotory Momentové motory Servo pohony s planetovými převodovkami Spojky a brzdy Převody ozubenými koly Berany (Smykadla) Stojan VÝPOČET ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ KLIKOVÉHO MECHANISMU Zadané technické parametry Síly a momenty na klikovém ústrojí bez tření Předběžný návrh průměrů čepů Síly a momenty na klikovém ústrojí se třením KONSTRUKČNÍ NÁVRH POHONU LISU Rozbor pracovních režimů lisu Určení práce klikového lisu Návrh konstrukčních variant pohonu lisu Výběr varianty pohonu lisu Základní koncepce navrženého lisu Výpočet hlavního hřídele Určení velikosti brzdy Výpočet vstupního (brzdného) hřídele Pevnostní výpočet planetového převodu na ohyb a dotyk ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ SEZNAM PŘÍLOH

14

15 1 ÚVOD Mechanické lisy jsou charakteristické tím, že síla, která je na beranu lisu k dispozici, je závislá na jeho zdvihu. Nejrozšířenějším mechanismem používaným ve stavbě mechanických tvářecích strojů je klikový mechanismus. Pro pracovní zdvih beranu lze využít nejvýše jednu čtvrtinu otáčky klikového hřídele před dolní úvratí. Tato vzdálenost je pro různé lisy různá a udává se buď přímo v mm, nebo ve stupních pootočení kliky před dolní úvratí. U výstředníkových lisů do jmenovité síly 1600 kn může být např. této síly dosaženo 30 před dolní úvratí, u výstředníkových lisů nad 1600 kn jen 0 před dolní úvratí. U klikových lisů je tento úhel v širším rozmezí. U hlubokotažných klikových lisů dosahuje až 90, u ostřihovacích bývá jen 15 [1]. Klikové uzavřené jednobodové mechanické lisy jsou určeny pro stříhání, ohýbání, mělké tažení protlačování zastudena a zatepla, ražení, kování a ostříhávání. Vzhledem k univerzálnosti použití jsou vhodné pro zařazování do nepružných tvářecích linek i pružných automatizovaných výrobních systémů. Vystřihovací (vysekávací) lisy jsou speciálně určeny pro vystřihávání drobných součástí ze svitku oceli i neželezných kovů v hromadné výrobě nebo k vysekávání přímočarých i křivkových tvarů a k děrování otvorů v součástech z tenkých plechů a tenkostěnných profilů. Jde o plechové skříně, rámy, kryty a podobné typické zámečnické výrobky. Stroj je svislý, jednobodový (s jedním pohybovým mechanismem), jednočinný. Jednotlivá provedení se liší zdvihem beranu, počtem zdvihů za minutu, jmenovitým zdvihem a sevřením. Sevření je stavitelné. Rám je uzavřený, tvaru O [1]. Obr.1.1 Univerzální klikový jednobodový lis LKJP fy ŽĎAS a.s.[1]. 15

16

17 POHONY, MECHANISMY A KONCEPCE MECHANICKÝCH LISŮ Mechanické lisy jsou nejrozšířenější tvářecí stroje. Pracují s přímočarým vratným pohybem činného členu. Při výběru mechanismu s přímočarým vratným pohybem je třeba mít na zřeteli průběh základní síly v mechanismu, aby co nejlépe odpovídal průběhu tvářecí síly [1]. V poslední době se stále více ukazuje, že nepopíratelný vliv na plastickou deformaci a její průběh má rychlost pohybu beranu a tím i horní části lisovacího nástroje. Toto řešení má nebo může mít vliv na průběh lisování. Řízením rychlosti pohybu beranu dojde k ovlivnění toku materiálu. Dostáváme tak další možnost jak ovlivnit průběh deformace a jejich rozdělení při lisování. Řízenou rychlostí beranu také vzniká schopnost lisování členitých a složitých výlisků, zejména z vysokopevnostních materiálů, které by bylo možné jinak lisovat jen velmi obtížně. Regulací rychlosti tváření v poslední části zdvihu lze ovlivnit opotřebení nástroje, snížit hluk při lisování a průběh i výši potřebných lisovacích sil a prací. Zpomalením rychlosti pohybu beranu v poslední části zdvihu lze integrovat do procesu lisování i jiné technologie, jako navařování, svařování a řezání závitů. Jsou to operace, které potřebují delší čas, a ten je jim umožněn zpomalením rychlosti tvářecího nástroje [13]..1 Principy pohonu mechanických lisů Mechanické lisy klikové jednobodové jedná se o konstrukční řešení lisu s jedním klikovým kolem, osově uloženým kolmo k čelní ploše stojanu a s jednou ojnicí. Pohyb beranu je zajištěn pomocí ojnice z excentru klikového kola. Představitelem této koncepce jsou lisy řady LKJA fy ŽĎAS a.s. [11]. Obr..1 Mechanické lisy klikové jednobodové [11] 17

18 Druhou variantou jednobodového lisu jsou lisy řady LKJP. U těchto lisů je klikové kolo nahrazeno excentrickým hřídelem, který je poháněný od setrvačníku přes planetovou převodovku. Pohyb beranu je opět pomocí jedné ojnice z excentrického hřídele [11]. Obr.. Mechanické lisy klikové jednobodové [11] Pohon mechanického lisu tvoří: motor, převodový systém ozubených kol se spojkami, brzdou a setrvačníkem, výkonný mechanismus s přímočarým vratným pohybem. Obr..3 Kinematické schéma mechanického klikového lisu [1] Pohon lisu se vypočítává z maximální potřební tvářecí práce. Aby se předešlo poruše v mechanismu lisu, konstruují se různá pojistná zařízení proti jeho přetížení [1]. Mezi nedostatky mechanických klikových lisů patří velké nebezpečí přetížení některých částí při tváření. Toto nebezpečí je vyvoláno zvláštnostmi jejich kinematické vazby a dynamikou jejich pohonného mechanismu. Lis může zatížit jen takovou silou, která nepřevýší dovolenou a jmenovitou sílu lisu [1]. Poměry u klikového mechanismu jsou vidět z obrázku.4. Pro pracovní, jmenovitý zdvih beranu lze využít nejvýše jednu čtvrtinu otáčky klikového hřídele. Klikové lisy pracují 18

19 většinou s malým počtem zdvihů za minutu, a proto mohou být v prvním přiblížení zanedbány dynamické síly a momenty [1]. Obr..4 Kinematika klikového mechanismu [1].. Uspořádání pohonu u lisů s přímým pohonem Servolisy jsou mechanické lisy, kde pohyb beranu je docilován pomocí speciálního stejnosměrného nebo střídavého elektromotoru, řízeného pulsní regulací. Tento motor je přímo spojen s klikou. Udává se, že při 10 ot/min musí být zdvih proveden během půl sekundy. Prakticky to znamená urychlit beran na přetvárnou rychlost, provést tváření výlisku a opět zabrzdit. Aby toto bylo zajistitelné, je dynamika zařízení podstatným faktorem. To je zajištěno přímým pohonem. Převodové stupně mohou umožnit požadovaný motorový moment. To ovšem redukuje dynamiku. Jako kompromis se ukazuje Torque-Antrieb (krutový pohon). Tento pohon se vyznačuje pomalým motorem s vysokým kroutícím momentem [13]. Servopohon, s Torque-Motorem, který používá fa Schuler k pohonu svých lisů je na obrázku.5 19

20 Obr..5 Pohonná jednotka servolisu fy Schuler nazývaná Torque-Motor [13]. Menší náklady na energii jsou umožněny vyšší účinností a menšími mechanickými ztrátami. Odpadá spojka a setrvačník [13]. Všechny servolisy mají volně programovatelný průběh zdvihu lisu, včetně zohlednění tvářecího postupu a automatizace. Rychlost pohybu beranu lze měnit při plné lisovací síle. Dále existuje možnost rychlého přejíždění lisu při seřizování a tušírování, při libovolně volitelné lisovací síle [13]..3 Jiná koncepce pohonu servolisů Firma Andritz Kaiser má koncepci servolisů jinou. Servomotory jsou buď na jedné straně nahoře (o síle 500 až kn) nebo dva servomotory nahoře po obou stranách, viz obrázek.6. (4 000 až kn), nebo se středním pohonem, viz obr..7. (pro síly 6300 až kn). Obr..6 Oboustranný pohon fy Andritz Kaiser [13] 0

21 Obr..7. Umístění dvou servomotorů ve středu [13]. Fa ebu STA používá řešení servo-torquemotor s vysokým točivým momentem, který přímo pohání excentrickou hřídel přes planetovou převodovku [5]. Obr..8 Přímý pohon servolisu fy ebu STA a křivka rychlosti beranu pro asynchronní motor (modře) a servomotor (červeně) [5]. Tímto řešením se dá průběh beranu řídit přes celkový lisovací cyklus individuálně a tak se dá přizpůsobit nejrůznějším požadavkům nástroje a/nebo výlisku. Samotný stálý chod výkyvného zdvihu u dolní úvrati (DÚ) je možný, což pomáhá zkrátit doby zdvihu [5]. 1

22 Obr..9 Funkční část děrovacího lisu STA-G 1000 se servo pohonem a planetovou převodovkou [5]..4 Synchronní elektromotory Části pohonného ústrojí závisí na typu lisu. U servolisů se používají převážně synchronní motory. Synchronní motor je elektrický stroj, jehož rotor se otáčí synchronně s otáčením točivého magnetického pole statoru. Ten bývá shodný se statorem asynchronního motoru, tj. je tvořen slisovanými statorovými plechy, s drážkami pro uložení statorového vinutí. Vinutí je zpravidla třífázové, rozložené do statorových drážek a podle konstrukce může být dvoupólové nebo vícepólové []. Rotor může být hladký nebo s vyjádřenými póly, které mohou být opatřeny budícím vinutím napájeným stejnosměrným proudem. Budící proud se do rotorového vinutí přivádí buď pomocí kluzných kontaktů (kartáčů a kroužků), nebo bezkontaktně rotačním transformátorem a následným usměrněním diodami na rotoru. Synchronní motory určené k připojení ke střídavé napájecí síti mají na rotoru tzv. tlumící vinutí, které může sloužit pro asynchronní rozběh motoru []. Obr..10 Konstrukční typy synchronních strojů: a) stroj s vyniklými póly, b) stroj s hladkým rotorem [3].

23 Otáčky synchronního motoru lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího napětí. Možnost skokové změny změnou počtu pólů se v praxi nevyužívá [3]..4.1 Momentové motory Fa Siemens nabízí momentové motory 1FW3 pro vysokomomentové aplikace. Jsou to synchronní motory buzené permanentními magnety na rotoru [14]. Konstrukčně se synchronní motor s permanentními magnety na rotoru podobá elektronicky komutovanému motoru []. Jsou zejména vhodné jako přímý pohon pro použití v rozmezí kroutícího momentu od 100 N.m do 7000 N.m, výkonem od 3,1 do 380 kw a otáčky od 50 do /min [14]. Obr..11. Momentový motor 1FW3 [14]. Fa Hennlich Industrietechnik, s.r.o., odštěpný závod LIN-TECH nabízí pro aplikaci přímého pohonu (vysokého točivého momentu při nízkých otáčkách) synchronní elektromotor s permanentními magnety vodou chlazený série TF. Jsou zejména vhodné jako přímý pohon pro použití v rozmezí kroutícího momentu od 100 N.m do N.m, výkonem od 5,3 do 53 kw a otáčky od 100 do /min [15]. 3

24 Obr..1 Momentový motor série TF [15] Fa VUES Brno s.r.o nabízí momentové motory s permanentními magnety řady ROL ve vestavném provedení. Jsou to synchronní motory s velkým počtem pólů osazené permanentními magnety umístěnými na vnitřním rotoru. Statorový svazek je složen z elektrotechnických za studena válcovaných plechů. V drážkách statoru je uloženo trojfázové pracovní vinutí zapojené do hvězdy. Momentové motory jsou standardně chlazeny vodou. Při chlazení motoru vzduchem dochází k podstatné redukci parametrů. Motory jsou napájeny z frekvenčních měničů a pracují v příčné ose. Pro spolupráci s měničem musí být vybaveny vhodným snímačem polohy rotoru. Jsou zejména vhodné jako přímý pohon pro použití v rozmezí kroutícího momentu od 68 N.m do 1350 N.m a otáčky od 75 do 600 1/min [16]. Obr..13 Momentové motory řady ROL fy VUES Brno s.r.o. [16]. 4

25 .4. Servo pohony s planetovými převodovkami Firma DESCH nabízí planetové převodovky určené pro tvářecí stroje s výbornými dynamickými vlastnostmi, nízkým momentem setrvačnosti a které jsou vybaveny také hydraulickou brzdou [17]. - Servox E pro malé lisovací síly. Kroutící moment od N m do N m a převodovými poměry 4 6 [17]. - Servox SP s rozpětím kroutícího momentu od N m do N m a převodovými poměry 1 0 [17]. - Servox Z s rozpětím kroutícího momentu od N m do N m a převodovými poměry 4 48 [17]. - Servox DS pro velmi vysoké kroutící momenty. Kroutící moment v rozpětí od N m do N m a převodovými poměry 4 48 [17]. Obr..14. Použití standardní DESCH servox E planetové převodovky [17]. [17]. Obr..15 Řešení pro vysoké kroutící momenty: planetová převodovka Servox DS 5

26 Firma SIEMENS AG nabízí planetové mechanické převodovky FLENDER. Převodovka se skládá ze dvou nebo tří planetových stupňů, které tak mohou být kombinovány s různými předřazenými stupni. Jako předřazený je možné použít čelní-, kuželový- nebo kombinovaný stupeň (čelní a kuželočelní) [18]. Přenáší výkon 30 až kw, kroutící moment.000 až N m a převodový poměr 5 až [18]. Obr..16. Planetová převodovka FLENDER [18].5 Spojky a brzdy Spojka slouží k přenosu kroutícího momentu od pohonu na pracovní ústrojí (klikový hřídel, vačky, pracovní hřídele) tvářecího stroje. Brzda je určena na spolehlivé a rychlé zastavení pracovního ústrojí při vypnutí spojky [5]. Požadavky na spojku a brzdu [5]: - spolehlivá funkce v provozních podmínkách - velká životnost, snadné a přístupné seřízení, nenáročná údržba - nepřekrývání funkcí, nesmí být současně v činnosti spojka i brzda - axiální vyvážení sil na spojce a brzdě - velká rychlost zapnutí brzdy a vypnutí spojky, malý úhel doběhu - koncepce vlastního uzlu i ovládání taková, že při poruše se vypne pohon stroje a pracovní ústrojí se zastaví - spojka musí jistit stroj proti přetížení kroutícím momentem Pro splnění požadavků na jištění stroje proti přetížení kroutícím momentem, i dalších požadavků na spolehlivost, životnost a rychlost ovládání jsou používány na tvářecích strojích spojky a brzdy třecí, jedno a vícelamelové s elektropneumatickým ovládáním [5]. Skutečný kroutící moment pro výpočet spojky se volí o 10-30% vyšší, aby spojka neprokluzovala při zatížení jmenovitým kroutícím momentem, ale jistila stroj proti přetížení. Obvykle se dovoluje přetížení 0% [5]. Princip funkce elektromagnetické lamelové spojky je zřejmý z následujícího obrázku.14. Tlak magnetické cívky (1) na kotouč kotvy () se pomocí čepu (3) přenáší přes kotouč (4) na lamely (5). Pro zaručení plného točivého momentu a krátkých a přesných spínacích časů musí být v sepnutém stavu dodržena pracovní spínací mezera (s) [0]. 6

27 Obr..17. Princip funkce elektromagnetické lamelové spojky [0]. Obr..18. Pneumaticky ovládaná jednokotoučová třecí spojka a brzda [7] Fa Ortlinghaus nabízí zcela přepracovanou řadu elektromagnetických spojek a brzd. Série 0 hydraulicky ovládaných brzd je vhodná pro kroutící momenty N m, pro otáčky /min, vnějším průměru 83 až 910 mm a délce 59 až 360mm [19]. 7

28 Obr..19 Hydraulicky ovládaná lamelová brzda série 0 fy Ortlinghaus [19] Fa Stromag nabízí hydraulicky ovládané lamelové brzdy série KMB pro kroutící momenty N m, pro otáčky /min pro různé aplikace: připojení k planetové převodovce, mezi převodovou skříň a motor nebo v plochém provedení [1]. Obr..0 Hydraulicky ovládaná lamelová brzda série KMB fy Stromag [1].6 Převody ozubenými koly Podle počtu redukčních stupňů lze rozlišit převodové systémy jedno, dvou, tří a čtyřstupňové. Podle prostorového uspořádání lze rozdělit převodové systémy na jednostranné s příčným nebo podélným uspořádáním hřídelů [4]. Použitím oboustranných převodů lze docílit, při středovém zatížení pracovního prostoru, souměrné zatížení rámu stroje, a tím omezit nebo vyloučit deformace rámu v natočení. 8

29 Jednostranné a oboustranné převody lze kombinovat blíže motoru použít převody jednostranné, blíže pracovnímu prostoru oboustranné. Pro lehké a střední lisy se zpravidla používají převody jednostranné a pro těžké lisy (>5 MN) oboustranné [4]. Na obrázku.1 je kinematické schéma pohonu s jednostranným odkrytým ozubeným převodem [4]. Obr..1 Kinematické schéma pohonu s jednostranným jednostupňovým ozubeným převodem. M-motor, S-spojka, B-brzda [4]. Kinematické schéma pohonu s oboustrannými ozubenými převody třístupňovým je na dalším obrázku.. Používá se v případech, kdy klikový hřídel vychází příliš dlouhý a málo tuhý v kroucení. Aby se kroutící moment co možná rovnoměrně rozložil na obě soukolí, je nutno dbát na přesné dodržení vzájemné polohy mezi drážkami pro pera ozubených kol. Při šikmém ozubení se usnadní toto nastavení tím, že se kola mohou vzájemně axiálně posunout. Směry ozubení mají v tom případě opačný sklon pro vyrovnání axiální složky obvodové síly v zubech [4]. Obr.. Pohon s oboustrannými a kombinovanými ozubenými převody třístupňový. M-motor, Ř řemenice, S-spojka, B-brzda [4]. U moderních konstrukcí se používá zakrytých převodů, které je možno mazat. Na obrázku.3 je kinematické schéma třístupňového pohonu výstředníkového lisu s jedním 9

30 výstředníkem, se zakrytými převody. Výstředník se otáčí na nepohyblivém čepu, uloženém ve stojanu. Ozubené převody jsou oboustranné a rychloběžný převod mezi prvním a druhým hřídelem je se šikmým ozubením. Toto řešení je pro středně těžké lisy asi do 5MN [4]. Obr..3 Oboustranný pohon se zakrytými převody třístupňový s jednoduchými hřídeli [4]..7 Berany (Smykadla) Smykadla neboli berany jsou pohyblivé části tvářecích strojů, obvykle přímo nebo nepřímo nesoucí tvářecí nástroje. Jejich pohyb bývá většinou přímočarý, málokdy křivkový. Pohyb beranů bývá odvozen od hlavního poháněcího ústrojí většinou nepřímo přes zařízení zvětšující sílu na beranu [5]. Z konstrukčního hlediska jsou kladeny na berany následující požadavky: 1. Velká tuhost v ohybu a tlaku,. malá hmotnost se zřetelem k dynamickým účinkům, 3. dokonalé vedení k zajištění vzájemné polohy obou částí nástroje. Pro spolehlivou funkci beranu, zejména při výstředném zatížení tvářecí silou, je rozhodující poměr délky beranu k jeho šířce [4]. 30 Obr..4 Příklad svařence beranu jednobodového lisu [8].

31 Vedení beranu musí být provedeno takovým způsobem, aby bylo možno spolehlivě seřídit požadovanou vůli. Různé tvary vedení jsou znázorněny schematicky na následujícím obrázku [4]: Obr..5 Vedení beranu mechanických lisů [4]. Provedení na pravém obrázku se vyznačuje možností regulace polohy beranu ve všech směrech a snadným vymezováním vůle vzniklé opotřebením. Za materiál vodících lišt lze brát bronz, pro malé tlaky litinu [4]. Beran může mít speciální otvor, do kterého se vkládá vyhazovací pravítko 6 (viz následující obrázek). Výška otvoru podmiňuje maximální velikost přemístění pravítka 6. Když se beran přesouvá dolů, způsobuje deformaci tvarovaného plechu. Současně se vyhazovač zdvíhá s pravítkem směrem nahoru. Při zpětném pohybu beranu pravítko 6 naráží na opěrné šrouby uchycené na konzole stojanu. Regulováním těchto šroubů a tlačením pravítka na kolík se vyhazuje výlisek z vrchní části nástroje [10]. Obr..6 Beran jednobodového výstředníkového lisu. 1-vodící lišty, -opěrné šrouby, 3-upevňovací šrouby, 4-upevňovací čelist stopky nástroje, 5-těleso berana, 6-vyhazovací 31

32 pravítko, 7-pojistka, 8-tlačná vložka, 9-šroub, 10-ojnice, 11-pojistný šroub, 1-otvor pro nástroj [10].8 Stojan Rozdělují se na otevřené a uzavřené. Uzavřené stojany jsou rámové konstrukce a jsou obvykle složeny z příčníku, stojin a stolu. Jsou buď jednolité (celistvé), nebo dělené. Části dělených rámů jsou spojeny předpjatými šrouby [4]. Vzhledem na úhlovou tuhost pracovního prostoru lisu jsou lepší uzavřené stojany skříňového tvaru s co nejmenšími otvory ve stěnách skříně. Rohy skříně nesmí být přerušeny otvory, aby byla dosažena co největší torzní tuhost skříně, nutná pro přesné opracování otvorů hřídelů, upínacích ploch vedení beranu a stolu lisu, případně dalších funkčních otvorů a ploch [5]. Při uzavřených stojanech (obr..7) pracovní prostor je otevřený ze dvou stran, zepředu a zezadu. Zatížení se zachytává stojinami, které jsou symetricky rozložené k ose lisu, což napomáhá i k optimálnímu rozložení jejich deformace [10]. Obr..7 Uzavřené stojany mechanických klikových lisů [10] Charakteristickým znakem lisů klikových jednobodových LKJA je svařovaný rám, ve kterém je uložen klikový mechanismus. Lisy jsou vybaveny centrálním oběhovým mazáním, hydraulicky ovládanou spojko-brzdou, motorickým přestavováním beranu s odměřováním polohy, pneumatickým vyvažováním beranu nastavitelným s ohledem na hmotnost nástroje []. 3

33 Obr..8 Lisy klikové jednobodové LKJA firmy ŽĎAS []. [6]. Obr..9 Svařovaná koncepce rámu, které používá pro servolisy Taiwanská fa SEYI 33

34

35 3 VÝPOČET ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ KLIKOVÉHO MECHANISMU Charakteristický parametr tvářecího stroje určuje nepřímo rozměry výrobku, který lze na stroji zpracovat a je součástí typového označení stroje. Charakteristickým parametrem zdvihových tvářecích strojů je jmenovitá síla [4]. Při výpočtu základních parametrů klikového mechanismu lisu se používá označení veličin a metodika dle lit. [5], příp. [10]. 3.1 Zadané technické parametry Počet tlačných bodů: 1 Jmenovitá síla: 500 kn Jmenovitá dráha: 8 mm Počet zdvihů: 45 1/min Zdvih beranu: 50 mm Přestavení: 150 mm Sevřená výška: 550 mm Upínací plocha beranu: 890x800 mm Upínací plocha stolu: 950x800 mm Výška lisu: cca 5700 mm Obr Rozměry pracovního prostoru uzavřeného tvářecího stroje. 1-beran, -stůl, 3- rám, zdvih H, přestavitelnost stolu E, přestavitelnost beranu E 1, sevření Hs, upínací plocha stolu l xb, upínací plocha beranu l 1 xb 1 [4]. 3. Síly a momenty na klikovém ústrojí bez tření Lisy mechanické se konstruují tak, že mohou být zatíženy jmenovitou tvářecí silou F j v určité vzdálenosti před dolní úvratí. Tato vzdálenost je dána úhlem α j před dolní úvratí, přičemž ojnicí délky L napojený beran vykoná dráhu s [5]. 35

36 Pro rozklad sil bez tření platí při neuvažování délky ojnice: M K konst. T KL r Fj a, kde r je poloměr kliky a T KL je tečná síla na poloměru kliky [5]. Zadáno: jmenovitá síla Fj 500kN, jmenovitá dráha s 8mm, zdvih beranu Z 50mm. Obr. 3. Silové poměry na klikovém mechanismu bez tření [5] Poloměr kliky: r 0,5 Z 0, mm (1) kde Z je celý zdvih klikového lisu Poměr K poloměru kliky k délce ojnice: volí se K u univerzálních a klikových lisů [5] délku ojnice L volím 1950mm r 15 K 0,064 () L 1950 Vzdálenost čepu v beranu od osy klikového kola A: A L + r mm (3) 36 Vzdálenost čepu beranu od osy klikového hřídele na začátku pracovní části zdvihu: B A s mm (4)

37 kde s je jmenovitá dráha ( dráha jmenovité síly) Úhel mezi ojnicí a směrem pohybu beranu [5]: L + B r β arccos arccos 1, 56 (5) L B Jmenovitý úhel lisu α j : L 1950 α j arcsin( sin β ) arcsin( sin1,56 ) 19, 99 (6) r 15 Síla v ojnici F L : 3 Fj F L ,5N (7) cos β cos1,56 Normálová síla do vedení beranu F N : 3 FN Fj tgβ tg1, ,356N (8) Velikost tečné síly na klikovém čepu T KL : T (sinα + K KL F j sin α ) ,31N 3 0,064 (sin19,99 + sin( 19,99 ) (9) Kroutící moment na klikovém kole M K [5]: M K F j 3 r sin( α + β ) sin(19,99 + 1,56 ) Nmm η KL cos β 0,8 cos1,56 (10) kde η KL je účinnost klikového ústrojí, bývá 0,7 0,9, volím η KL 0,8 3.3 Předběžný návrh průměrů čepů Přibližný průměr klikového hřídele v ložiskách ve stojanu d o [5]: 3 F j d O 10, , ,759mm (11) voleno d o 340mm Návrh průměru čepu v beranu: 37

38 Čep v beranu je vyroben z materiálu 14 0, cementován a kalen. Je nutné kontrolovat na otlačení ojnici, která je z měkčího materiálu a beran, který bude svařenec a vyroben z Při spojení čepem o průměru d se obvykle volí rozměry součásti viz obr. 3.3 podle těchto empirických vztahů: l (,0 až,5) d, b (0,5 až 0,75) d [3]. Obr. 3.3 Předběžný návrh průměru čepu [3] 38 Průměr čepu se kontroluje na ohyb: M M O O l b FL (1) d 3 σ DO volím si l,5 d a b 0,5 d a dosadím do (1) a (13), dovolené napětí pro materiál 14 0, míjivé zatížení σ DOII 05 MPa a vypočítám průměr čepu d č : d č FL 10 σ DOII , ,96mm volím průměr čepu d č 50mm, předběžná délka l 65mm. Čep se dále kontroluje na smyk: τ F π d (13) (14) L τ D (15) č FL ,5 τ 5,470MPa τ D 100MPa vyhovuje π d π 50 č Kontrola dovoleného tlaku, materiál spojovaných součástí je 11 53, p D 80MPa: p p F p L L 1 D ( l b) d D č b d 1 FL ( l b) d 80MPa č FL ( l 0,5 d ) d č F p p (16) č ,5 6,673MPa (65-50) 00 > (17)

39 > vyhovuje p FL FL ,5 40,009MPa 80MPa b d 0,5 d d 50 (18) č č č Návrh průměru klikového čepu d K : Pouzdro ojnice je navrženo z materiálu CuSn1. Protože zatím neznám obvodovou rychlost v O, volím p D ve středu rozsahu hodnot p D MPa, viz graf obrázku 3.4. Obr. 3.4 Diagram dovolených měrných tlaků materiálů pro kluzná ložiska. Křivka 1 - Pb-Sn6-Sb6, křivka Cu-Sn10, křivka 3 Cu-Pb30-Ag3, křivka 4 Cu-Al10-Fe3-Mn1,5 [6] Tlak působící na pouzdro klikového čepu hřídele: p F p L D (19) d K lk minimální průměr klikového čepu hřídele d K : FL ,5 d K 710,397mm (0) p l 160 D K volím předběžně průměr klikového čepu d K 70mm 3.4 Síly a momenty na klikovém ústrojí se třením Při uvažování tření na mechanismu působí proti pohybu třecí síly a momenty. Obrázek 3.5 ukazuje síly a momenty na klikovém ústrojí při uvažování tření. Ramena sil se zvětšují o třecí poloměry, síla na ojnici se sešikuje a zvětšuje se [5]. 39

40 Obr. 3.5 Síly a momenty na klikovém mechanismu při uvažování tření [5] Třecí poloměr mezi beranem a ojnicí ρ č : ρ č µ r č µ 0,5 d č 0,04 0,5 50 5mm (1) kde µ 0,04 je součinitel kluzného tření u kluzného ložiska Třecí poloměr mezi klikovým čepem a ojnicí ρ K : ρ K µ r K µ 0,5 d K 0,04 0, ,4mm () Třecí poloměr mezi klikovým hřídelem a stojanemcí ρ o : ρ o µ r o µ 0,5 d o 0,04 0, ,8mm (3) Třecí úhel kluzných ploch φ tř : φ tř arctg µ,9 (4) Zešikmení směru síly v ojnici vlivem tření vůči ose ojnice: µ ( rč + rk ) 0,04 ( ) γ arcsin arcsin 0,57 (5) L 1950 Skutečná velikost síly v ojnici F LS : 3 cosϕ cos(,9 ) F LS F j ,1N (6) cos( β + γ + ϕ) cos(1,56 + 0,57 +,9 ) 40

41 Ideální rameno síly a id : a id 0,064 r (sin α + K sin α ) 15 (sin19,99 + sin( 19,99 )) 45,308mm (7) Třecí rameno síly a tř [5]: a tř µ ((1+K) r K +K r č +r o ) 0,04 ((1+0,064) 360+0, ),443mm (8) Skutečný kroutící moment na klikovém hřídeli M Kskut : M Kskut Fj a celk Fj (a id + a tř ) (45,308 +,443) ,5 Nmm (9) 41

42

43 4 KONSTRUKČNÍ NÁVRH POHONU LISU Je zde předložen návrh pohonu klikového lisu v několika variantách. Jedna je zvolena jako nejvýhodnější a použita pro návrh pohonu řešeného lisu. 4.1 Rozbor pracovních režimů lisu Lis může být provozován v režimu jednotlivých zdvihů nebo v režimu trvalého chodu. Při automatickém cyklu má lis počet zdvihů 0 až 45min -1. Automatický provoz: 45 zdvihů/min čas cyklu: t , s C z (30) max otáčky klikového hřídele: 0zdvihů/min čas cyklu: Jednotlivé zdvihy: 45 zdvihů/min čas cyklu: 45 3 s n K 45 45min 0, t C 0 3s (31) z 0 min t , s Cj z (3) max 1 4. Určení práce klikového lisu Celková práce přiváděná do stroje je využívána pro užitečnou, tvářecí práci, k překonání všech ztrátových prací a pro práci pomocných mechanismů stroje [5]. A celk A tv + A def + A tř + A pm + A rozb (33) Práce tvářecí A tv je určena součinem síly, dráhy, na které síla působí a koeficientem technologie, lis je používán jako univerzální, pro různé technologie, proto m 1 A tv Fj s m J (34) Při výpočtu celkové deformace stroje použiji podmínku pro celkovou tuhost lisů, koeficient k 1 10 pro univerzální lisy. Celková deformace stroje a nástrojů [5]: f Fj 500( kn) 1, mm (35) k 10 F ( kn) celk j 43

44 Deformační práce stroje a nástrojů A def : A F f , j celk def 1976, 5 J (36) V projekčním výpočtu nelze předem spočítat další práce, pomáháme si odhadem těchto prací vzhledem k tvářecí práci [5]. Třecí práce A tř : A tř (0,15 0,5) A tv, zvoleno 0% tvářecí práce: A tř 0, A tv 0, J (37) Práce pomocných mechanismů A pm 0, nejsou žádné pomocné mechanismy. Práce rozběhová A rozb 0, počítám práci během tváření, kdy motor je už rozběhnut. Celková práce přiváděná do stroje A celk : A celk A tv + A def + A tř , ,5 J (38) 4.3 Návrh konstrukčních variant pohonu lisu Zadáno: počet zdvihů 45min návrhová varianta: Zvolený motor: třífázový synchronní motor Siemens HT-direct 1FW4, chlazený vzduchem. Označení motoru: 1FW4505-3HB 0-1AA0, jmenovité otáčky n 300min -1, jmenovitý M K 50Nm, jmenovitý výkon P 699kW, přetížitelnost M Kmax /M Knom 1,5. Uspořádání: základní varianta uspořádání: klikové kolo-ojnice-beran Převod mezi klikovým hřídelem a motorem: jedním párem ozubených kol Obr. 4.1 Schéma pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran a převodem párem ozubených kol (1. návrhová varianta) 44

45 n1 300 Převodový poměr: i C 6, 667 n 45 Zvolený počet zubů pastorku z 1 19, počet zubů na ozubeném kole na klikovém hřídeli z 17. z 17 Skutečný převodový poměr i C 6, 684 (39) z 19 1 Potřebný kroutící moment M K1 na pastorku d 1, vycházím z rovnosti M K1 ω 1 M K ω : M K ω M K nk M K ,763( Nm) M K1 5341, 077Nm ω n i 6,684 1 Pozn. M K M Kskut viz (9) 1 C Předběžný výpočet modulu ozubení dle Bacha, které patří k nejstarším výpočtovým metodám a slouží jako předběžný orientační výpočet. Uvažuje pouze statické ohybové namáhání zubu obvodovou silou F t, působící na jeho hlavě a to za předpokladu, že celé zatížení přenáší jediný zub, viz obrázek [4]: (40) Obr. 4. Obvodová síla F t působící na hlavu zubu [4]. Pevnostní podmínka při namáhání zubu ohybovým momentem [4]: M O F h t 1 6 b s f σ úpravou přejde na vztah pro návrh modulu: m 3 M π c ψ K m z 3 DO (N m) (41) 5341,077( Nm) 6 π ,0155m kde c je snížené dovolené namáhání na ohyb, c 0,06 σ D. Pro použitou ocel ozubeného kola 14 0, cementovanou a kalenou je c 15 MPa a ψ m je poměrná šířka zubů: ψ b m m se volí ψ m 10 až 15 i více, vyšší hodnoty u kol s vyšším stupněm přesnosti a při vyšší tuhosti uložení, zvolil jsem 15. Na základě výsledku rovnice (4) volím modul ozubených kol m 16mm. Průměr roztečné kružnice pastorku d 11 : d z m mm (43) 11 1 Průměr roztečné kružnice ozubeného kola na klikovém hřídeli d 1 : d z m mm (44) 1 (4) 45

46 U přímého pohonu lze při stanovení jmenovitého výkonu P j elektromotoru připustit krátkodobé překročení jmenovitého výkonu [4]. Přetížitelnost jmenovitého kroutícího momentu K M : M K max 5341,077 K M 1,138 1,5 > vyhovuje (45) M 50 Knom Orientační hodnota stupně využití pracovního cyklu (vztažená na pracovní čas nástroje t p ) pro přímý pohon K tp : 60 0 t p K tp 0,056 < 0,4 dle [4] > vyhovuje (46) t 60 c kde t c je čas jednoho celého tzv. trvalého pracovního cyklu Obr. 4.3 Konstrukční řešení pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran a převodem párem ozubených kol (1. návrhová varianta) 46

47 . návrhová varianta: Zvolený motor: třífázový synchronní motor Siemens HT-direct 1FW4, chlazený vzduchem. Označení motoru: 1FW4455-3HD 0-1AA0, jmenovité otáčky n 500min -1, jmenovitý M K 15370Nm, jmenovitý výkon P 804kW, přetížitelnost M Kmax /M Knom 1,5. Uspořádání: základní varianta uspořádání: klikové kolo-ojnice-beran Převod mezi hřídelem s klikovým kolem a motorem: planetovým převodem Obr. 4.6 Schéma pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran a planetovým převodem (3. návrhová varianta) Zvolený počet zubů centrálního kola z 0 1, počet zubů satelitu z 1 96 a počet zubů korunového kola z 13. z Skutečný převodový poměr i PL 1+ 11, 14 (47) z 1 0 Potřebný kroutící moment M K1 na centrálním kole d 0, vycházím z rovnosti výkonů M K1 ω 1 M K ω ; pozn. M K M Kskut viz (9) : M K ω M K nk M K ,763( Nm) M K1 1504, 646Nm ω n i 11, PL Protože použiji 3 satelity, tak je v záběru 3x více zubů, proto zatěžující moment pro výpočet modulu je třetinový. Návrh modulu ozubení dle (4), za M K1 dosazuji vyšší kroutící moment M K Nm, tzn. kroutící moment, který mi dokáže vyvodit použitý motor: m 3 1 M K1 3 π c ψ z m ( Nm) 3 0,008837m 6 π Na základě výsledku rovnice (49) volím modul ozubených kol m 10mm. Průměr roztečné kružnice centrálního kola d 0 : d z m mm (50) 0 0 Průměr roztečné kružnice korunového kola d : (48) (49) 47

48 d z m mm (51) Průměr roztečné kružnice satelitu d 1 : d d d1 960mm (5) Obr. 4.7 Schéma použitého jednostupňového planetového převodu [4] Podmínky smontovatelnosti navrhovaného planetového převodu: a) podmínka, která váže počty zubů: z0 + z z1 + celé číslo (53) s kde s je počet satelitů, po dosazení: (54) 3 b) podmínka, aby se hlavové kružnice satelitů navzájem neprotínaly: ( ) π d 0 + d1 sin( ) > d as (55) s (10+960) sin(π/3)1013,49mm > d as 980mm > vyhovuje (56) Přetížitelnost jmenovitého kroutícího momentu K M : M K max 1504,646 K M 0,98 > motor pracuje bez přetížení. (57) M Knom Lis může pracovat v trvalém chodu motoru při maximální lisovací síle. 48

49 Obr. 4.8 Konstrukční řešení pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran a planetovým převodem (. návrhová varianta) 3. návrhová varianta: Zvolený motor: třífázový synchronní motor Siemens HT-direct 1FW4, chlazený vzduchem. Označení motoru: 1FW4407-3HF 0-1AA0, jmenovité otáčky n 800min -1, jmenovitý M K 9600Nm, jmenovitý výkon P 804kW, přetížitelnost M Kmax /M Knom 1,5. Uspořádání: základní varianta uspořádání: klikové kolo-ojnice-beran Převod mezi hřídelem s klikovým kolem a motorem: planetovým převodem použitým ve druhé návrhové variantě se skutečným i PL 11,14 a jedním párem ozubených kol. 49

50 Obr. 4.9 Schéma pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran s planetovou převodovkou a dalším převodem párem ozubených kol (3. návrhová varianta) Zvolený počet zubů pastorku z K1 63, počet zubů na spoluzabírajícím ozubeném kole, které vstupuje do planetového převodu je z K 419. n1 n z K z Skutečný převodový poměr ic (1 + ) (1 + ) 17, 75 n n z z 63 1 Výpočet otáček na vstupu do planetového převodu n (vycházím z rovnice 58): z (min ) 50,147 min K1 1 1 n n1 (59) z K 419 Potřebný kroutící moment M K1 na ozubeném kole d K1, vycházím z rovnosti výkonů M K1 ω 1 M K3 ω 3; pozn. M K3 M Kskut viz (9): M K 3 ω3 M K ,763( Nm) M K1 9541, 81Nm ω i 17,75 1 C Návrh modulu ozubení dle (4), za M K1 dosazuji vyšší kroutící moment M K1 9600Nm, tzn. kroutící moment, který mi dokáže vyvodit použitý motor: m 3 M π c ψ K1 m z k ( Nm) 6 π K1 0,00469m Na základě výsledku rovnice (6) volím modul ozubených kol m 5mm. Průměr roztečné kružnice ozubeného kola d k1 : d k zk m mm (6) 1 1 Průměr roztečné kružnice spoluzabírajícího ozubeného kola d k : d k zk m mm (63) Kroutící moment M K na ozubeném kole d k, na vstupu do planetové převodovky. Vycházím z rovnosti M K1 ω 1 M K ω : 0 (58) (60) (61) 50

51 M M d K1 ω K1 1 k 9600( Nm) 095 M K 1594, 96Nm ω d 1315 k1 Návrh modulu ozubení planetového převodu dle (4), za M K dosazuji vyšší kroutící moment, tzn. kroutící moment, který mi dokáže vyvodit použitý motor viz (64) a protože použiji tři satelity, tak je v záběru 3x více zubů, proto zatěžující moment pro výpočet modulu je třetinový. Návrh modulu ozubení dle (4): m 3 M π c ψ K 3 m z ,96 ( Nm) 3 6 π ,00883m Na základě výsledku rovnice (65) volím modul ozubených kol m 10mm. Průměr roztečné kružnice centrálního kola d 0 : d z m mm, viz (51) 0 0 Průměr roztečné kružnice korunového kola d : d z m mm, viz (5) Průměr roztečné kružnice satelitu d 1 : d d d1 960mm, viz (53) Použitý planetový převod je stejný jako ve variantě 3, jsou proto stejné i podmínky smontovatelnosti planetového převodu. (64) (65) Přetížitelnost jmenovitého kroutícího momentu K M : M K max 9541,81 K M 0,993 > motor pracuje bez přetížení. (66) M 9600 Knom Lis může pracovat v trvalém chodu motoru při maximální lisovací síle. 51

52 Obr Konstrukční řešení pohonu lisu s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran s planetovou převodovkou a dalším převodem párem ozubených kol (3. návrhová varianta) 4.4 Výběr varianty pohonu lisu Jednotlivým variantám je přiřazeno pořadí, nejmenší číslo 1 určuje nejvhodnější variantu, číslo 3 je umístění na posledním místě. 5 Tab.4.1 výběr varianty pohonu lisu Kritéria hodnocení Varianta 1 Varianta Varianta 3 Zástavbové rozměry lisu 3 1 Přístupnost prostoru lisu pracovního 3 1 Přetížitelnost motoru 1 1 Součet hodnocení variant 7 6 3

53 Byla vybrána 3. návrhová varianta s uspořádáním: klikové kolo-ojnice-beran. Převod mezi hřídelem s klikovým kolem a motorem je uskutečněn planetovým převodem a jedním párem ozubených kol. 4.5 Základní koncepce navrženého lisu Na následujícím obrázku je zobrazení a popis pohonu vybrané varianty lisu. Obr Zobrazení a popis částí pohonu lisu, kdy převod mezi motorem a hřídelem s klikovým kolem je řešen planetovým převodem a párem ozubených kol. Základní koncepce navrženého stroje je na následujícím obrázku. Stojan je tvaru O a je řešen jako svařenec z plechových výpalků z materiálu Pracovní prostor je přístupný ze předu a ze zadu. Vedení beranu je řešeno ve tvaru X s úhlem sešikmení 30, vodící lišta je s mazací drážkou a vyrobena je z mosazi 43.0 (CuZn39Pb1) Ojnice je dělená a je řešena jako výpalek z plechu Beran je řešen jako odlitek z materiálu Stůl je řešen jako obrobek z plechu z materiálu

54 Obr. 4.1 Zobrazení navrženého jednobodového lisu 4.6 Výpočet hlavního hřídele 1) Soustava hlavní hřídel klikové kolo: Nejprve řeším soustavu hlavního hřídele s klikovým kolem jako jeden celek. Z tohoto výpočtového modelu řeším statickou rovnováhou síly, které působí na ložiska a potom síly, které působí pouze na hlavní hřídel. Předpokládám vzhledem k malé vůli mezi klikovým kolem a hlavním hřídelem k nepatrnému vyklonění klikového kola na hřídeli a uvažuji, že síly působí v krajních bodech kontaktu klikového kola a hřídele. Pozn.: síly F L3 a F L4 jsou síly od ložisek, vzdálenosti l 30 a l 04 jsou odečteny z 3D modelu. 54

55 Obr Soustava hlavního hřídele s klikovým kolem a působícím zatížením, napravo jsou pouze síly působící na klikové kolo. SR soustavy klikové kolo hlavní hřídel: z: F 0 i iz F L3 + F L4 F LS 0 (67) F L3 F LS F L4 M ix 0 i M LS M K3 M K1 i C , ,9Nmm (68) M ioy 0 i F LS l 30 - F L4 ( l 30 + l 04 ) 0 (69) F F l , LS 30 L 4 l30 + l ,898N F L3 F LS F L , , ,4N ) Model hlavního hřídele: Zjednodušený výpočtový model hlavního hřídele je na následujícím obrázku. Předpokládám, že pro hlavní hřídel mohu použít model prutu. 55

56 Obr Hlavní hřídel a jeho výpočtový model s působícím zatížením Určení výsledných stykových sil z podmínek SR uvolněného prutu: z: F 0 i iz F L3 F KK1 + F KK 0 (70) F KK - F L3 + F KK1 M ioy 0 i F KK1 l 3K F KK ( l 3K + l KK ) 0 (71) F FL3 l3k 1 l + l 3K 19886, KK1 KK ,73N F KK - F L3 + F KK , , ,508N M ix 0 i M LS M K3 M K1 i C , ,9Nmm, viz rovnice (68) Řešení VVÚ hlavního hřídele : Interval I: Obr Určení VVÚ hlavního hřídele - interval I. 56

57 z: F 0 i iz T Z + F KK 0 (7) T Z F KK 7777,508N M ix 0 i - M K + M K3 0 (73) M K M K ,9Nmm M ioy 0 i - M Oy + F KK x KK 0 (74) M Oy - F KK x KK M Oymax - F KK l KK , ,3Nmm Interval II: Obr Určení VVÚ hlavního hřídele - interval II. z: F 0 i iz T Z + F L3 0 (75) T Z - F L ,4N M ioy 0 i M Oy + F L3 x 3K 0 (76) M Oy - F L3 x 3K M Oymax F L3 l 3K , ,3 Nmm Průběhy VVÚ jsou na následujícím obrázku: 57

58 Obr Průběhy VVÚ hlavního hřídele. Výpočet napětí působící v průřezu K1 statický přístup: Pro hřídel průměr d 0 340mm bylo zvoleno rovnoboké drážkování o počtu zubů 6, vnitřním průměru d 300mm a šířce drážky b 50mm. Obr Průřez K1 hlavního hřídele 58

59 napětí v ohybu: M Oy max M Oy max ,3 σ Onom 3 3 WO π d π ,549MPa (77) 3 3 σ α σ 1,5 (-46,549) -69,83MPa (78) O max O Onom napětí v krutu: M K M K ,9 τ Knom 3,146MPa (79) 3 3 WK π d π τ α τ,5 3,146 80,366MPa (80) K max K Knom Smykové napětí od posouvající síly je malé, proto ho ve výpočtu zanedbávám. Výpočet redukovaného napětí dle hypotézy HMH: σ red σ + 3 τ ( 69,83) , ,78MPa (81) Materiál hřídele volím , který má hodnotu meze kluzu Re 650MPa. Dovolené napětí při statickém namáhání Rm 650 σ DOI 35MPa (8) k P bezpečnost volím k p Vycházím z Bachova rozdělení namáhání strojních konstrukcí na I-statické, II-míjivé a III-střídavé a platí σ : σ : σ 1: 0,75 : 0, 6 ; [3] DI DII DIII pro míjivé zatížení hřídele: σ 0,75 σ 0, , MPa (83) σ red < σ DOI > hřídel vyhovuje DOII DOI 75 Velikost průhybu při ohybu hřídele: y FKK1 l3k lkk , max 4 3 E J ( l3k + lkk ) 5 π 300 3, ( ) 0,008mm (84) Výpočet délky drážkování hřídele: Délka náboje hřídele s rovnobokým drážkováním viz obrázek 4.18 se určí za předpokladu, že pouze tři čtvrtiny drážek přenášejí kroutící moment M K [3], l 4 M K / ( D + d) f p D (mm; N mm, mm, mm, MPa), (85) kde f je činná plocha drážek na 1 mm délky náboje; f 0,75 h z, h je skutečná nosná výška drážkování; h h - c, h je celková výška drážkování a c je zkosení drážky 59

60 ,5 l 154, 769mm ( ) 0,75 6 (0 0,5) 80 Délka náboje klikového kola je 450mm > 154,769mm > vyhovuje. 4.7 Určení velikosti brzdy Brzda musí zastavit pohyb všech pohybujících se částí stroje, rotačních i translačních. Je proto třeba provést redukce jednotlivých rotačních i posuvných hmot na hřídel brzdy [8]. Výpočet redukovaného momentu setrvačnosti na hřídel brzdy vychází z věty o zachování energie a lze jej rozdělit do dvou částí: 1) Redukce momentů setrvačnosti I rotujících těles na hřídel brzdy: 1 1 I 3 ω3 I red ω (86) I red I 3 ω ω 3 ) Redukce posouvající se hmoty m na hřídel brzdy: 1 I mred 1 m v I mred ω (87) v m ω Výpočet redukovaného momentu setrvačnosti I red : I red + ( m ( I ber hř + m + I oj KK + I vber ) ( ) ω DS 1 ) ( i PL ) + 3 I SB ω ( ω 1P 0P ) + I BR + I dk kde I hř 5,7 kg m je moment setrvačnosti hlavního hřídele, I KK 493,6 kg m je moment setrvačnosti klikového kola, I DS 194,9 kg m je moment setrvačnosti desky satelitu, I SB je moment setrvačnosti satelitu redukovaný k ose planetového převodu, I SB I ST + m ST a w 35,9 + 55,1 0,585 13, kg m + I I ST 35,9 kg m je moment setrvačnosti satelitu k jeho ose rotace, m ST 55,1 kg je hmotnost satelitu, ω 1P je úhlová rychlost satelitu, která se určí na základě podobnosti trojúhelníků viz následující obrázek: dk1 i K + (88) 60

61 Obr Určení úhlové rychlosti satelitu na základě pólu rychlosti Z podobnosti dvou trojúhelníků plyne: ω0p ω1p z0 z1 m z1 + m m ω ω z π n z π 50, P P 3,7 14,0 min z0 + z1 z0 + z s rad (89) I BR 0,79 kg m je moment setrvačnosti brzdného hřídele I dk 83,7 kg m je moment setrvačnosti ozubeného kola k, I dk1 50,1 kg m je moment setrvačnosti ozubeného kola k1, i K je převodový poměr ozubených kol k1 a k, i K n 1 /n (90) m ber 66 kg je hmotnost beranu, m oj 1347 kg je hmotnost ojnice, v ber je rychlost beranu, která se je závislá na natočení kliky, uvažuji s maximální rychlostí: v π n3 π 45 m r ω K r 0,15 0, (91) s ber max 589 Po dosazení hodnot do (88) vypočtu I 3red 61

62 I red (5, , ,9) ( 1 11,14 0,589 + ( ) ( ) π 50, ) 3, , ( ) 5,6 49,7kg m + 0, ,7 + 50,1 ( ,147 ) + Výpočet brzdné práce: Celková kinetická energie bržděných hmot redukovaných na hřídel brzdy se musí ubrzdit do ) úplného zastavení ω 0 působením třecího momentu brzdy M B, který na dráze ϕ vykoná práci A B, která se rovná kinetické energii bržděných hmot [8]: br A ) 1 ϕbr I ω B M B red kde ) ϕ br je brzdný úhel na brzdě v obloukové míře. Brzdný úhel na klikovém hřídeli φ k je určen bezpečností provozu stroje [5] a byl zvolen φ k 35. ) π π ϕ br ϕ K i PL 35 11,14 6, 805rad Třecí moment brzdy M B pro dosazení: 1 1 π 50,147 I red ω 49,7 ( ) M 60 B ) , 4Nm (94) ϕ 6,805 br Zvolená brzda je Stromag KMB 300 s M stat Nm a M dyn Nm 4.8 Výpočet vstupního (brzdného) hřídele Model hlavního hřídele: Zjednodušený výpočtový model hlavního hřídele je na následujícím obrázku. Předpokládám, že pro hlavní hřídel mohu použít model prutu. (9) (93) Výpočet obvodové síly na hnacím a hnaném ozubeném kole: M K F NK r b (95) F M r M K 1594,96Nm d k,095 cosα cos 0 K NK 15537, 8 b N 6

63 Obr. 4.0 Vstupní (brzdový) hřídel a jeho výpočtový model s působícím zatížením Určení výsledných stykových sil z podmínek SR uvolněného prutu: z: F 0 i iz F L1 F NK + F L 0 (96) M ioy 0 i - F NK l 1K + F L1 ( l 1K + l K ) 0 (97) F F l 15537, L3 1K L1 l1k + lk 93,505N F L F NK F L , 8-93, ,99N M ix 0 i M K - M K0 0 M K0 M K M K1 i K M K1 (d K /d K1 ) 9600(Nm) (095/1315) 1594,96Nm Řešení VVÚ vstupního hřídele : Interval I: 63

64 Obr. 4.1 Určení VVÚ vstupního hřídele - interval I. z: F 0 i iz T Z + F L1 0 (98) T Z - F L1-93,505N M ioy 0 i F L1 x K - M OY 0 (99) M Oy F L1 x K M Oymax F L1 l K 93, ,55Nmm Interval II: Obr. 4. Určení VVÚ vstupního hřídele - interval II. z: F 0 i iz F L1 F NK + T Z 0 (100) T Z F NK - F L , 8-93, ,99N 64

65 M ioy 0 i - M Oy + F L1 ( l K + x 1K ) F NK x 1K 0 (101) M Oy F L1 ( l K + x 1K ) F NK x 1K M Oymax F L1 l K 93, ,55Nmm M ix 0 i - M K + M K 0 (10) M K M K Nmm Interval III: Obr. 4.3 Určení VVÚ vstupního hřídele - interval III. M ix 0 i M K - M K0 0 (103) M K M K0 1594,96Nm Průběhy VVÚ jsou na následujícím obrázku: 65

66 Obr. 4.4 Průběhy VVÚ hlavního hřídele. Výpočet napětí působící v průřezu K statický přístup: napětí v ohybu: M Oy max M Oy max ,55 σ Onom 3 3 WO π ( d K t) π (180-15,3) 4,016MPa (104) 3 3 napětí v krutu: M K M K ,58 τ Knom 3 3 WK π ( d K t) π (180 15,3) 17,434MPa (105) τ α τ,5 17,434 43,587MPa (106) K max K Knom Smykové napětí od posouvající síly je malé, proto ho ve výpočtu zanedbávám. Výpočet redukovaného napětí dle hypotézy HMH: σ red σ + 3 τ (4,016) ,587 75,60MPa (107) Materiál hřídele volím , který má hodnotu meze kluzu Re 650MPa. Dovolené napětí při statickém namáhání Rm 650 σ DOI 35MPa (108) k P 66

67 bezpečnost volím k p Vycházím z Bachova rozdělení namáhání strojních konstrukcí na I-statické, II-míjivé a III-střídavé a platí σ : σ : σ 1: 0,75 : 0, 6 ; [3] DI DII DIII pro míjivé zatížení hřídele: σ 0,75 σ 0, , MPa (109) σ red < σ DOI > hřídel vyhovuje DOII DOI 75 Velikost průhybu při ohybu hřídele: y FNK l1k lk max 3 E J ( l1k + lk 15537, ) 5 π d 3,1 10 ( ) 64 0,0331mm (110) Výpočet délky pera hřídele: Pro hřídel průměr d K 180mm bylo zvoleno pero 45e7x5xl ČSN 0 56, b 45mm, t 15,3mm a t 1 9,7mm. Kontrola pera na smyk se neprovádí, spoj pomocí pera se kontroluje na otlačení v drážce hřídele a náboji. Obr. 4.5 Průřez K vstupního hřídele s drážkou pro pero. Kontrola na otlačení: 1) Výpočet délky pera z kontroly na tlak mezi bokem drážky v hřídeli a perem, vycházím ze vztahů: F1 F1 p1 p D (111) S l t F 1 M K M K 1 (11) d K t d K vyjádřením délky l ze vztahů (111) a (11): M K ,58 l 101,156 mm (113) d K t ,3 ( ) t pd ( ) 15,

68 ) Výpočet délky pera z kontroly na tlak mezi bokem drážky v náboji a perem, vycházím ze vztahů: F F p p D (114) S t ( l b) F 1 M K M K 1 (115) d K t1 d K + vyjádřením délky l ze vztahů (114) a (115): M K ,58 l b + 183,58mm (116) ( d K t ,7 + ) t pd ( + ) 9, Volím délku pera l 00mm 4.9 Pevnostní výpočet planetového převodu na ohyb a dotyk Pevnostní výpočet na ohyb Největší ohybové namáhání zubu se očekává v okamžiku, kdy silový dotyk nastane na vrcholové hraně zubu a kdy maximální výpočtová síla F nmax K F F N má od místa vetknutí zubu největší vzdálenost. Tato situace nastává u zubů hnacího kola na konci záběru, u zubů kola hnaného na začátku záběru [4]. Z obrázku [4] byly odečteny tyto hodnoty teoretického součinitele koncentrace napětí k α a součinitele tvaru Y F (index 0 je pro centrální, 1 pro satelit a pro korunové kolo): k α0 1,64; k α1 1,9 a k α 1,98 a Y F0,6; Y F1 1,9 a Y F 1,75 Materiály ozubených kol: 15 60, σ Pt 900MPa, zuby jsou povrchově kaleny na HRC56. Meze dlouhodobé únavové pevnosti v ohybu: σ CN 0 σ C(0)0 0,6 σ Pt 0 0, MPa (117) σ CN1 σ C(0)1 0,6 σ Pt1 0, MPa (118) σ CN σ C (0) 0,6 σ Pt 0, MPa (119) Součinitele vrubu (dle [4]): / k β 0 ηc kα 0 0,8 1,64 1,31 (10) / k β1 ηc kα1 0,8 1,9 1,536 (11) / k β ηc kα 0,8 1,98 1,584 (1) 68