PLANETOVÁ PŘEVODOVKA PRO HORIZONTKU FCW 150 SVOČ FST 2018 David Fait Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň, Česká republika ABSTRAKT Bakalářská práce obsahuje rešerši pohonů obráběcích strojů a to jak základní rozdělení motorů, tak i převodovek. Dále následuje konstrukční návrh dvoustupňové planetové převodovky pro horizontku FCW 150. Rozměry ozubených kol byly získány výpočtovými programy Kisssys a Kisssoft. Charakteristiky dalších spojení byly navrženy pomocí programu Mitcalc. Práce také přináší model a konstrukční dokumentaci převodovky. V neposlední řadě se věnuje technicko-ekonomickému hodnocení úrovně řešení v porovnání s koaxiálním typem převodovky. KLÍČOVÁ SLOVA Převodovky obráběcích strojů, planetová převodovka, technicko-ekonomické hodnocení, obráběcí stroj ÚVOD Tématem této práce je hlavní pohon obráběcích strojů. V první části se zaměřuje na rešerši nejpoužívanějších typů motorů a převodovek. Nejprve nadefinuje hlavní požadované vlastnosti obráběcího stroje. Poté zde budou rozebrána jednotlivá konstrukční řešení, jejich klady a zápory. Dále budou vyloženy základní postupy při dimenzionálních výpočtech převodovek. Poté se rešerše více zaměří na téma konstrukční části, tedy na planetové převodovky. Bude ukázán základní výpočet jejich převodu a účinnosti a rozebrána konstrukční řešení předních výrobců. Nakonec se krátce zmíní o spojování jednotlivých prvků soustavy. V konstrukční části se zaměří na návrh planetové převodovky pro horizontku FCW 150 při použití motoru Siemens 1PH8186. V úvodu bude proveden výpočet pomocí programů Kisssys a Kisssoft na základě parametrů motoru a požadovaného výstupu. Dále budou získaná výstupní data použita na vlastní konstrukci planetové převodovky. K tvorbě 3D modelu je použit program Creo Parametric 3.0. Navržená převodovka je doplněna o výpočty spojení jednotlivých součástí z programu Mitcalc. V další části se zaměří na technicko-ekonomické hodnocení. Bude porovnávaná s koaxiálním typem převodovky ve stejném prostředí. Nakonec je kladen důraz na optimalizaci návrhu. Dále práce obsahuje konstrukční dokumentaci. DEFINOVÁNÍ HLAVNÍCH POŽADAVKŮ NA OBRÁBĚCÍ STROJ Správné stanovení hlavních požadavků ze strany zákazníka má rozhodující vliv na konstrukci motoru, převodovky a rámu dodaného obráběcího stroje. Špatná úvaha může vést k předimenzování nebo poddimenzování stroje nebo jeho částí. Technicko-ekonomická hlediska obráběcích strojů kladou důraz zejména na jeho výkonnost a pracovní přesnost. Tyto vlastnosti jsou stěžejní a nelze je jako konstruktér nedodržet. Mezi další požadavky na obráběcí stroje patří: co nejmenší půdorysná plocha, ovladatelnost, přístupnost pracovního prostoru, provozní spolehlivost, trvanlivost, bezpečnost práce, možnost začlenění do automatizovaných výrobních linek a soustav, vhodné odstraňování třísek, vzhled stroje a jeho vybavenost příslušenstvím. Výkonnost Výkonnost různých obráběcích strojů je obtížné porovnávat. Je nutné zasadit různé stroje do srovnatelných podmínek (tvar a materiál součásti, technologie obrábění, řezné podmínky apod.), což samozřejmě není vždy proveditelné. Proto se zavádí jednotky výkonnosti obrábění, které porovnávají různé stroje. Prvním kritériem je měrná výkonnost obrábění Qm (kg*s-1). Vyjadřuje množství odebraného materiálu v jednotkách hmotnosti za jednotku času. Podobným kritériem je objemová výkonnost obrábění Qv (mm3*s-1). Vyjadřuje množství objemu odebraného za jednotku času. Používá se také ve formě měrné objemové výkonnosti obrábění, se objem odebrané
třísky vztahuje na příkon obráběcího stroje (mm3*kw-1*s-1). Tyto jednotky se zejména používají u běžných hrubovacích obráběcích strojů (frézky, soustruhy). U dokončovacích obráběcích strojů (např.: brusky) se používá plošná výkonnost obrábění Qa (mm2*s-1). Pro zhodnocení výkonnosti CNC strojů a dalších speciálních automatizovaných obráběcích strojů se používá kusová výkonnost. Obecně se snažíme optimalizací dosáhnout co nejmenšího výrobního času. Pracovní přesnost Pracovní přesnost je ovlivňována řadou činitelů. Za nejvýznamnější lze považovat konstrukční koncepce (její výsledná tuhost), volba materiálu (pevnost, odolnost proti opotřebení), kvalita zpracování a montáže (přesnost uložení jednotlivých vřeten), zpracování vodících ploch, teplotní stabilita, okolní podmínky, konstrukce nástroje a v neposlední řadě také kompetence obsluhy. Další nepřesnosti mohou pramenit ne ze zpracování obráběcího stroje, ale z tzv. kinematické nepřesnosti. Toto je způsobeno úchylkami v kinematických vazbách převodů mezi jednotlivými pohyblivými členy, jejichž pohybem vzniká výsledný pracovní pohyb. Tuhost Tuhost vyjadřuje odolnost stroje nebo jeho části proti přetvoření. Tato veličina ovlivňuje velice výrazně výslednou pracovní přesnost. Při konstrukci je třeba zajistit tuhosti dílčí např. vřetena, ložisek, šroubů, hřídelí atd. Všechny dílčí tuhosti pak následně určují celkovou tuhost stroje. Celkovou tuhostí rozumíme tuhost soustavy a to nejen dílů ale i jejich spojení (šrouby, vedení, uložení). Celkovou tuhost lze měřit vůči základu, který se v tomto případě považuje za absolutně tuhý, potom se jedná o absolutní tuhost. Nebo jako tuhost relativní, kdy se zkoumá deformace dvou částí vůči sobě. Jednotky tuhosti je N/m. Obecný vzorec pro výpočet tuhosti může vypadat takto: k=df/dy Dalším dělením tuhosti je na tuhost v posunutí a v natočení (translační a torzní tuhost). Podle druhu zatížení je možné rozlišovat tuhost v tahu, tlaku, ohybu smyku a krutu. Velmi významnou vlastností je tzv. technologická tuhost. Je určena relativní deformací mezi nástrojem a obrobkem při zatížení řeznou silou. Materiál Dalším kritériem, kterým lze ovlivnit výslednou tuhost stroje je materiál, ze kterého je vyroben. Záleží především na Youngově modulu pružnosti E, případně na modulu pružnosti ve smyku G. Pro materiál je také důležitý malý koeficient teplotní roztažnosti, vysoké měrné teplo, dobré tlumící vlastnosti a pokud možno nízká hustota. Konvenčními materiály pro obráběcí stroje je šedá litina, tvárná litina a ocel. Tyto materiály jsou používané mnoho let a jejich vlastnosti jsou dobře známé a praxí ověřené. Nově je možné se setkat se stroji s částmi z minerální litiny (polymerbeton), granitu, vláknových kompozitů a dále jsou stále častější tzv. sendvičové struktury. TECHNICKO EKONOMICKÉ HODNOCENÍ Varianta A: Planetová převodovka Planetové převodovky lze zařadit do převodu ozubenými koly. Používají se kvůli jejich menším rozměrům a hmotnosti. Planetové převodovky mohou být jak jednostupňové, tak i vícestupňové. Krouticí moment z centrálního kola na kolo korunové (nebo naopak) se přenáší přes satelity, přičemž všechna kola jsou stále v záběru a stále se otáčí.
Obr. 1 Schéma planetové převodovky Varianta B: Koaxiální převodovka Koaxiální převodovky se využívají v případě potřeby vysokých převodových poměrů (6,8,12 a více). V případě těchto převodů by bylo zapotřebí velmi velkých kol nebo velkého počtu převodů. Často se řadící převodovky s přesuvnými koly kombinují s řazením spojkami. V případě zvlášť vysokých převodových poměrů je možné přidat další předlohový hřídel, čímž vznikne až pětistupňová předloha. Obr. 2: Schéma koaxiální převodovky
Hodnocení koncepčních variant Varianta A B Ideál Transformace n a M 4 4 4 Zástavný prostor 4 2 4 Q C Kryt a těsnění 3 2 4 Zajištění životnosti 4 3 4 Řazení 3 2 4 Bezobslužnost 4 4 4 Technologičnost konstrukce Potřebná hmotnost krytu 2 3 4 4 2 4 Recyklovatelnost 2 2 4 celkový součet 30 24 36 normované hodnocení 0,83333333 0,66666667 1 výrobní náklady 3 3 4 náklady na montáž 2 3 4 náklady na nákup 4 3 4 náklady na demontáž 2 3 4 celkový součet 11 12 16 normované hodnocení 0,6875 0,75 1
Hodnocení vynaložených nákladů C 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Hodnocení koncepčích variant 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Hodnocení dodané kvality Q Ideál Varianta A Varianta B Jako suboptimální řešení byla vybrána varianta A. Její náklady jsou pouze přibližně o 5% horší než u varianty B, ale její kvalita druhou možnost výrazně převyšuje. MODEL Obr. 3 Finální návrh
Obr. 4: Řez převodovkou Při tvorbě modelu byly použity poznatky z firemních katalogů předních světových výrobců převodovek [4,5,6] a z obecnější akademické literatury [1, 2, 3]. Základní rozměry soukolí byly navrženy pomocí programu Kisssys. Spojení jednotlivých prvků byla zkontrolována programem Mitcalc. ZÁVĚR Tato práce vyšla z obecných požadavků na pohon obráběcích strojů a došla přes výběr nejlepší varianty k ucelenému konstrukčnímu návrhu. Hlavní důraz byl kladen na jednoduchost, vysoký podíl normalizovaných a nakupovaných částí. Životnost převodového mechanismu vychází výrazně nad požadovanou mezí ze zadání mé bakalářské práce. Další práce na této převodovce se bude ubírat k optimalizaci skříně pomocí MKP modelu. Dalším cílem tedy celkové odlehčení konstrukce a usnadnění její smontovatelnosti. LITERATURA 1. Hudec, Z.; Hlavní pohon - příklady, 1st ed.; Západočeská univerzita v Plzni, Vydavatelství: Plzeň, 2013. 2. Přemysl, B.; Píč, J.; et al. Obráběcí stroje konstrukce a výpočty, 1st ed.; SNTL - Nakladatelství technické literatury: Praha, 1982. 3. Lašová, V.; Základy stavby obráběcích strojů, 1st ed.; Západočeská univerzita v Plzni, Vydavatelství: Plzeň, 2012. 4. Baruffaldi Machine tool components; Two-Speed Gearboxes guide, 1st ed.; Milan, Italy. 5. Neugart; Precision gearbox catalog, 1st ed.; Kippenhelm, 2017. 6. ZF-Duoplan; Two-Speed Gearbox for Machine Tool, 1st ed.; Friedrichshafen, 2017. 7. Hosnedl, S.; Obecné strojní části 1, 1st ed.; Západočeská univerzita v Plzni, Vydavatelství: Plzeň, 2012. 8. Hosnedl, S.; Krátký, J.; Krónerová, E. Obecné strojní části 2, 1st ed.; Západočeská univerzita v Plzni, Vydavatelství: Plzeň, 2011.