ZÁPADOESKÁ UNIVERZITA V PLZNI 2014/2015 Libor KUPILÍK
ZÁPADOESKÁ UNIVERZITA V PLZNI Studijní program:b2301 Strojní inženýrství Studijní obor: Stavba výrobních stroj a zaízení Návrh strojního spodku modelu RC auta Autor: Libor KUPILÍK Vedoucí práce: Doc. Ing. Ladislav Nmec, CSc. Akademický rok 2014/2015
Dkuji vedoucímu své bakaláské práce Doc. Ing. Ladislavu Nmcovi, CSc. za odborné vedení a trplivý pístup, který mi v prbhu psaní této práce poskytoval.
Prohlášení o autorství Pedkládám tímto k posouzení a obhajob bakaláskou práci, zpracovanou na závr studia na Fakult strojní Západoeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto bakaláskou práci vypracoval samostatn, s použitím odborné literatury a pramen, uvedených v seznamu, který je souástí této bakaláské práce. V Plzni dne:.................. podpis autora
ANOTANÍ LIST BAKALÁSKÉ PRÁCE AUTOR Píjmení Kupilík Jméno Libor STUDIJNÍ OBOR B2301 Stavba výrobních stroj a zaízení VEDOUCÍ PRÁCE Píjmení (vetn titul) Doc. Ing. Nmec, CSc. Jméno Ladislav PRACOVIŠT ZU - FST - KKS DRUH PRÁCE DIPLOMOVÁ BAKALÁSKÁ Nehodící se škrtnte NÁZEV PRÁCE Návrh strojního spodku modelu RC auta FAKULTA strojní KATEDRA KKS ROK ODEVZD. 2015 POET STRAN (A4 a ekvivalent A4) CELKEM 33 TEXTOVÁ ÁST 33 GRAFICKÁ ÁST 5 STRUNÝ POPIS (MAX 10 ÁDEK) Bakaláská práce pedstavuje návrh strojního spodku modelu RC auta pro použití na závodech RC rallye. Obsahuje volbu podvozku, dva konstrukní návrhy, 3D model a volbu nejlepší navržené varianty. ZAMENÍ, TÉMA, CÍL POZNATKY A PÍNOSY KLÍOVÁ SLOVA ZPRAVIDLA JEDNOSLOVNÉ POJMY, KTERÉ VYSTIHUJÍ PODSTATU PRÁCE RC model, RC auto, strojní spodek
SUMMARY OF BACHELOR SHEET AUTHOR Surname Kupilík Name Libor FIELD OF STUDY B2301 Design of Manufacturing Machines and Equipment SUPERVISOR Surname (Inclusive of Degrees) Doc. Ing. Nmec, CSc. Name Ladislav INSTITUTION ZU - FST - KKS TYPE OF WORK DIPLOMA BACHELOR Delete when not applicable TITLE OF THE WORK Design of the RC car model chassis FACULTY Mechanical Engineering DEPARTMENT Machine Design SUBMITTED IN 2015 NUMBER OF PAGES (A4 and eq. A4) TOTALLY 33 TEXT PART 33 GRAPHICAL PART 5 BRIEF DESCRIPTION TOPIC, GOAL, RESULTS AND CONTRIBUTIONS The Bachelor Thesis introduce the design of the RC car model chassis for use in RC rally competition. It contain choice of chassis, two engineering designs, 3D model and choosing the best designed variant. KEY WORDS RC model, RC car, model chassis
Obsah 1. Úvod... 4 1.1 Zpesnní a doplnní zadání... 4 2. Vyjasnní a rozpracování požadavk na navrhovaný technický produkt/systém (TS)... 4 2.1 Vyjasnní zadání... 4 2.2 Stav techniky... 4 2.3 Analýza problému... 6 2.4 Analýza realizovatelnosti... 7 2.5 Specifikace požadavk a hodnocení vybraných dosavadních TS... 7 2.6 asový plán ešení... 7 3. Navržení koncepních alternativ&variant (orgánové struktury) TS... 8 3.1. Návrh alternativ/variant orgánové struktury (koncepních schémat) TS... 8 3.2 Hodnocení a výbr (sub)optimální orgánové struktury TS... 13 4. Navržení hrubé stavební struktury TS... 13 4.1 Návrh hrubé stavební struktury TS (CAD modely, nákresy, apod. )... 13 5. Navržení úplné konstrukního ešení (stavební struktury) TS s píklady výkresové a další dokumentace TS... 21 5.1 Návrh konstrukního ešení úplné (stavební struktury) TS (CAD modely, návrhové výkresy)... 21 5.2 Výpotové hodnocení navrženého konstrukního ešení (stavební struktury) TS (MKP, píp. jinak)... 29 6. Studie zabezpeení realizace základních životních etap navrženého TS... 29 6.1 Zabezpeení využité k návrhu TS... 29 6.2 Zabezpeení dokonení návrhu TS a jeho realizaci... 29 6.3 Zabezpeení provozu a likvidace navrženého TS... 29 7. Studie technologie výroby navrženého TS s píkl. technol. postupu vybrané souásti... 30 8. Predikování náklad na vývoj, výrobu, provoz a likvidaci navrženého TS... 30 9. Hodnocení kvality a konkurenceschopnosti navrženého TS... 32 10. Závr... 32 11. Literatura... 33
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Pehled použitých zkratek a symbol Použitá zkratka RC WD TS CAD MKP Li-pol NiMH mm g V mah Název Radio controlled Wheel drive Technický systém Computer-aided design Metoda konených prvk Lithium-polymer Nikl-metal hydrid Milimetr Gram Volt Miliampérhodina
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Seznam obrázk a tabulek Obr. 2.1 Model Tamiya TA-03 shora... 5 Obr. 2.2 Model Tamiya TA-03 zdola... 5 Obr. 3.1 Podvozek X-Ray T2 shora... 8 Obr. 3.2 Podvozek X-Ray T2 shora... 8 Obr. 3.3 Podvozek Tamiya TB-02 shora... 9 Obr. 3.4 Podvozek Tamiya TB-02... 9 Obr. 3.5 Podvozek Tamiya TA-03 shora... 10 Obr. 3.6 Podvozek Tamiya TA-03... 10 Obr. 3.7 Podvozek Tamiya DF-03Ra shora... 11 Obr. 3.8 Podvozek Tamiya DF-03Ra... 11 Obr. 3.9 Podvozek Tamiya M-03 shora... 12 Obr. 3.10 Podvozek Tamiya M-03... 12 Tabulka 3.1 Hodnocení vlastností podvozk... 13 Obr. 4.1 Varianta 1 spodního rámu s podélným uložením baterie... 14 Obr. 4.2 Varianta 1 spodního rámu s možnostmi píného uložení baterie... 14 Obr. 4.3 Varianta 2 spodního rámu s píným uložením baterie... 15 Obr. 4.4 Varianta 2 spodního rámu s podélným uložením baterie... 15 Obr. 4.5 Pvodní systém ízení... 16 Obr. 4.6 Pvodní systém ízení... 16 Obr. 4.7 Systém ízení pro variantu 1... 17 Obr. 4.8 Systém ízení pro variantu 1... 17 Obr. 4.9 Systém ízení pro variantu 2... 18 Obr. 4.10 Systém ízení pro variantu 2... 18 Obr. 4.11 a 4.12 Horní rám pro systém ízení varianty 1... 19 Obr. 4.13 a 4.14 Horní rám pro systém ízení varianty 2... 20 Obr. 5.1 Zvolený materiál DIBOND... 21 Tabulka 5.1 Technické parametry materiálu DIBOND... 22 Tabulka 5.2 Technické specifikace materiálu DIBOND... 22 Obr. 5.2 Srovnání tloušky a váhy materiál pi stejné ohybové tuhosti... 23 Obr. 5.3 Ideální pípad kdy jsou kola bon nepoddajná... 24 Obr. 5.4 Ideální pímka a kivka chyb... 25 Obr. 5.5 Vliv smrových úchylek na polohu stedu otáení... 25
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.6 Nejoptimálnjší varianty uložení baterie... 26 Obr. 5.7 Nevýhody ízení varianty 1... 26 Obr. 5.8 Ukázka 3D modelu RC auta 1... 27 Obr. 5.9 Ukázka 3D modelu RC auta 2... 28 Tabulka 5.3 Porovnání technických vlastností pvodního a navrženého modelu... 29 Tabulka 5.4 Srovnání mnou používaných baterii... 29 Tabulka 8.1 Náklad na vývoj strojního spodku... 31 Tabulka 8.2 Náklady na provoz modelu... 31
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 1. Úvod 1.1 Zpesnní a doplnní zadání Jedná se o návrh strojního spodku modelu RC auta v mítku 1:10 s trvalým pohonem všech ty kol pohánného elektromotorem na model s pohánnou pouze pední nápravou pro použití pi závodech RC rallye. 2. Vyjasnní a rozpracování požadavk na navrhovaný technický produkt/systém (TS) 2.1 Vyjasnní zadání Úelem tohoto návrhu je, abych se mohl zúastnit závod RC model v rallye a to konkrétn západoeského šampionátu. V jedné sezon se jede osm závod, dva jsou na zpevnném povrchu, ostatní na nezpevnném nebo na kombinovaném. Do šampionátu se mže pihlásit kdokoliv a to bu do kategorie 4WD nebo 2WD nebo do obou. Já chci jezdit ob kategorie, auto s pohonem 4x4 již mám a proto jsem se rozhodl postavit si ješt vz s pohonem jedné nápravy. Pro závody je vhodnjší vz s pohonem pedních kol. A podle toho jsem také vybíral podvozek vhodný pro pestavbu. Vybral jsem sériov vyrábný model s pohonem všech ty kol v mítku 1:10. Ten bude pestavn na vz s pohánnou pouze pední nápravou. Jelikož se jedná o model urený pro silniní provoz, tak bude upraveno i celé šasi vozu pro pohyb na nezpevnném povrchu. Jako napíklad zvýšená svtlá výška vozu, pedlané odpružení a celkové zlepšení jízdních vlastností. 2.2 Stav techniky Výchozí model je sériov vyrábný model od firmy Tamiya v mítku 1:10 urený na zpevnný povrch. Jedná se o starší model Tamiya TA-03. Je dostupný jako stavebnice. Souástí je i stejnosmrný elektromotor. Vtšina díl je plastových, jako napíklad šasi, ramena kol, náboje kol, skín diferenciál, držáky karoserie, kryt motoru a nárazníky. Plast je dobe opracovatelný, ale je náchylný k praskání. Plastová jsou i pevodová kola. Model má plastové planetové diferenciály s kovovými planetami. Dále jsou souástí i ocelové díly, jako je pastorek, unášee diferenciál, poloosy a šrouby. Místo ložisek jsou použita plastová pouzdra. V základu jsou olejové tlumie. Motor je uložený ped pední nápravou pín k ose vozu. Výkon na pední kola se penáší pomocí ozubených kol umístných ve skíni pedního diferenciálu. Na zadní kola je penášený pomocí ozubených kol a jednoho ozubeného emínku. Prostor pro uložení baterie je ped zadní nápravou. Baterie se ukládá pín k ose vozu. Místo pro uložení serva ízení je mezi pední nápravou a místem pro baterii. Veškeré tyto díly jsou uložené v ose modelu, což je výborné z hlediska píného rozložení váhy u auta. Souástí stavebnice jsou také plastové šesti-paprskové disky vetn gum urených na asfalt a molitanových mkkých vložek.
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 2.1 Model Tamiya TA-03 shora [12] Obr. 2.2 Model Tamiya TA-03 zdola [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 2.3 Analýza problému Pro výbr i pestavbu je nutné dodržet technická pravidla daného šampionátu. Tachnická pravidla: a)podvozek: V závodech mže startovat libovolný podvozek 1:10 s libovolnými úpravami. Maximální šíka vetn kol 210 mm. Libovolný pohon kol: 4WD a 2WD b)karoserie: Jsou povoleny jen polomakety voz typu RALLY v mítku 1:10. Karoserie musí být nabarvená a musí svým vzhledem pipomínat skutený vz. Barevné provedení karoserie je libovolné. Karoserie zapsaná pro licenci platí na celý šampionát 2013. Karoserii je možno kombinovat s jakýmkoli typem pohonu kol. c)baterie: Mohou být použity libovolné baterie s maximálním jmenovitým naptím 8V. Bhem závodu je možné mnit libovolný poet baterií. d)motory: Mohou být použity libovolné elektromotory velikosti 540. e)pneumatiky: Mohou být použity libovolné pneumatiky znakové i vlastní výroby. Maximální šíe pneu není omezena. Maximální prmr pneu je 75 mm. Poet výmn pneumatik bhem závodu není omezen. Mazání pneu je zakázáno. Pneumatiky mohou být libovoln upravovány (proezávány). Použití hrot z tvrdých materiál (heb) je zakázáno. Tento model jsem pro pestavbu vybral z dvodu jeho uložení motoru v pední ásti vozu, který se mi pro mé úely zdál nejvhodnjší. Sériov vyrábné modely s pedním pohonem mají motor až za pední nápravou a mají kratší rozvor 225 mm a menší šíku 168 mm. Mnou zvolený model má rozvor 257 mm a šíku 190 mm, to je z mého pohledu vhodnjší z hlediska stability vozu. Pední ramena jsou zaklonná ímž je dosažen záklon rejdového epu, který zlepšuje zatáení hlavn na sypkém povrchu. Ramena samotná jak pední tak i zadní jsou pro závody nevhodná, na spodní stran mají výstupky pro uchycení tlumi, ale o tyto výstupky se mže auto pi jízd v terénu zasekávat. Nelze zde nastavovat odklony kol, pouze sbíhavost na pední náprav. Pro závody je dležité mít co nejmenší polomr zatáení, který je u sériového modelu velký. Dále je dležitá hmotnost modelu, zvlášt u vozu s pohonem jedné nápravy. Proto se musí odstranit všechny zbytené ásti.
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 2.4 Analýza realizovatelnosti Na otázku realizovatelnosti lze nahlížet dvma zpsoby. A to z hlediska náronosti na výrobu, tj. dostupnost stroj a náadí potebných k pestavb. Proto jsem se snažil navrhnout takovou konstrukci, která se dá vyrobit v domácí díln. Dílna je vybavená základním náadím, jako jsou šroubováky, klešt, pilníky, jehlové pilníky, runí pilky, nžky na plech a jiné bžn dostupné náadí. Strojní vybavení dílny je dvoukotouová stolní bruska, runí vrtaka se stolním stojanem, pistolová pájka, úhlová bruska, sváeka CO 2 a vzduchová runí frézka. Veškeré strojní zaízení je bžn dostupné ve velkých obchodních centrech. Další dležitou souástí pro pestavbu je materiál. A to spojovací materiál jako šrouby, matice, kulové epy a konektory, vše jde sehnat v železáství nebo obchodech s RC modely. Dále pak materiál pro konstrukci samotného rámu a výztuh jako jsou ocelové a hliníkové trubky, tyky, hliníkové a ocelové desky, které jsou také dostupné v železáství. Druhé hledisko je, zda se dá samotný model pestavt. Proto jsem vybíral model, který je ve form stavebnice, kde se dají jednotlivé díly odmontovat a rozebrat. 2.5 Specifikace požadavk a hodnocení vybraných dosavadních TS Pro závodní podmínky je dležité, aby model sploval tyto požadavky: model v mítku 1/10 nízká cena dostupnost náhradních díl záklon pedních ramen nastavitelná svtlá výška modelu malý polomr zatáení odolnost díl proti nárazm zakryté pevody nízká váha možnost upravit polohu tžišt posunutím baterie možnost mnit odklon kol sbíhavost zadních kol nastavitelná sbíhavost pedních kol minimální poet spojovacích prvkízení pro co nejmenší vle v ízení celková tuhost modelu minimální plocha pro zachytávání neistot dobrý pístup k baterii a možnost rychlé výmny bhem závodu možnost mnit rozvor náprav dobrý pístup vzduchu k motoru z dvodu chlazení jednoduchý a spolehlivý systém ízení 2.6 asový plán ešení Záí íjen: teoretická ást Listopad: výbr a poízení podvozku Prosinec leden: konstrukní návrhy a výbr nejideálnjší varianty Únor bezen: výkresová dokumentace a 3D model Duben kvten: vlastní pestavba a výroba podvozku
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 3. Navržení koncepních alternativ&variant (orgánové struktury) TS 3.1. Návrh alternativ/variant orgánové struktury (koncepních schémat) TS Pi výbru nejvhodnjšího modelu pro pestavbu jsem vybíral z tchto podvozk: X-Ray T2 Výhody: sbíhavost zadních kol, dostupnost náhradních díl, odolnost díl proti mechanickému poškození, malý polomr zatáení, kvalitní tlumie, nastavitelné odklony kol. Nevýhody: diferenciály ani emínky nejsou zakryté, motor pesahuje pes spodní plato podvozku, nemá záklon pedních ramen, vysoká cena. Obr. 3.1 Podvozek X-Ray T2 shora [3] Obr. 3.2 Podvozek X-Ray T2 shora [3]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Tamiya TB-02 Výhody: diferenciály a pevody jsou zakryté, odolné díly proti mechanickému poškození, nízká cena, nastavitelné odklony kol, malý polomr zatáení. Nevýhody: zadní kola nemají sbíhavost, horší dostupnost náhradních díl, horší tlumie, není záklon pedních ramen. Obr. 3.3 Podvozek Tamiya TB-02 shora [4] Obr. 3.4 Podvozek Tamiya TB-02 [4]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Tamiya TA-03 Výhody: penos výkonu na pední nápravu pomocí zakrytých ozubených pevod, dobré tlumie, motor umístný ped pední nápravou, možnost rozložit na menší celky, dobré zakrytí diferenciál, záklon pedních ramen. Nevýhody: horší dostupnost náhradních díl, mkí materiál, velký polomr zatáení, nelze nastavit odklon kol, již se nevyrábí. Obr. 3.5 Podvozek Tamiya TA-03 shora [5] Obr. 3.6 Podvozek Tamiya TA-03 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Tamiya DF-03Ra Výhody: diferenciály a pevody jsou dobe zakryté, sbíhavost zadních kol, nastavitelné odklony kol, baterie uložená podéln v ose modelu, dobré tlumie, penos výkonu motoru pomocí kardanu, záklon pedních ramen. Nevýhody: velký polomr zatáení, horší dostupnost náhradních díl, horší materiál, vyšší cena. Obr. 3.7 Podvozek Tamiya DF-03Ra shora [6] Obr. 3.8 Podvozek Tamiya DF-03Ra [7]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Tamiya M-03 Výhody: sbíhavost zadních kol, zakrytý diferenciál a pevody, tžišt v pední ásti modelu, nízká cena. Nevýhody: nelze nastavit odklon kol, kratší rozvor o 35 mm než modely 4x4 a užší o 20 mm, horší materiál, velký polomr zatáení, horší dostupnost díl, nelze rozložit na menší celky. Obr. 3.9 Podvozek Tamiya M-03 shora [4] Obr. 3.10 Podvozek Tamiya M-03 [4]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 3.2 Hodnocení a výbr (sub)optimální orgánové struktury TS Pro hodnocení vybraných podvozk jsem vybral dležité vlastnosti potebné pro použití na závodech. U jednotlivých vlastností jsem každému podvozku pidlil uritý poet bod vzhledem k tomu jak vhodný je pro pestavbu a závodní. 5 bod nejvhodnjší, 1 bod nejmén vhodný. Vlastnosti Podvozek X-Ray T2 Tamiya TB-02 Tamiya TA-03 Tamiya DF-03Ra Tamiya M-03 Cena 2 4 4 3 5 Odolnost díl 5 4 4 3 3 Dostupnost díl 5 3 3 4 2 Zakrytování 1 4 5 5 5 Nastavitelná geometrie kol 5 5 4 4 3 Sbíhavost zadních kol 2 1 2 2 2 Rozložení váhy 3 3 5 4 4 Polomr zatáení 5 5 4 4 3 Tlumie 4 4 5 5 3 Rozložení na menší celky 3 2 5 4 1 Celkové rozmry modelu 5 5 5 5 3 Penos výkonu od motoru na pední nápravu 4 4 5 4 5 Nastavitelná svtlá výška 4 4 5 5 4 Systém ízení pedních kol 4 4 4 3 3 Tuhost modelu 3 3 4 5 5 Uložení motoru 2 2 5 3 4 Pístup k baterii 5 5 4 3 4 Záklon pedních ramen 3 2 4 4 2 Celkem 65 64 76 70 61 Tab. 3.1 Hodnocení vlastností podvozk [12] Z výsledk hodnocení nejlépe vyšel podvozek Tamiya TA-03, který byl následn vybrán pro pestavbu. Nejvtší výhodou tohoto šasi jsou zakryté pevody, motor uložený ped pední nápravou a možnost rozložení na menší celky. 4. Navržení hrubé stavební struktury TS 4.1 Návrh hrubé stavební struktury TS (CAD modely, nákresy, apod. ) Zvolený podvozek Tamiya TA-03 lze rozložit na ti kompaktní celky. Pední ást s motorem, diferenciálem a pední nápravou. Stední ást, kde je uchycený systém ízení kol, prostor pro elektroniku a místo pro baterii. A zadní ást s diferenciálem a zadní nápravou. Pro pestavbu modelu na auto s pohánnou pouze pední nápravou, jsem se rozhodl ponechat pouze pední ást a pro zbylé dv navrhnout vlastní ešení. Udlal jsem nkolik variant pro
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj úpravu spodní ásti rámu s nkolika rznými možnostmi uložení baterie. A to z dvodu, aby bylo možné mnit polohu tžišt. Obr. 4.1 Varianta 1 spodního rámu s podélným uložením baterie [12] Obr. 4.2 Varianta 1 spodního rámu s možnostmi píného uložení baterie [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování stroj Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Obr. 4.3 Varianta 2 spodního rámu s píným uložením baterie [12] Obr. 4.4 Varianta 2 spodního rámu s podélným uložením baterie [12] Dále jsem udlal nkolik návrh systému ízení. Pvodní ízení mlo velký polomr zatáení, který je pro požití pi závodech nevhodný. Páky ízení narážely do pední ásti kde je uložený diferenciál a chod pák se tak nemohl zvtšit. ízení také bylo souástí stední ásti modelu, kterou jsem nahradil vlastní konstrukcí.
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 4.5 Pvodní systém ízení [9] Obr. 4.6 Pvodní systém ízení [9]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování stroj Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Obr. 4.7 Systém ízení pro variantu 1 [12] Obr. 4.8 Systém ízení pro variantu 1 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování stroj Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Obr. 4.9 Systém ízení pro variantu 2 [12] Obr. 4.10 Systém ízení pro variantu 2 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Pro celkovou tuhost modelu jsem navrhl horní rám v nkolika variantách, podle použitého systému ízení. Obr. 4.11 a 4.12 Horní rám pro systém ízení varianty 1 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování stroj Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Obr. 4.13 a 4.14 Horní rám pro systém ízení varianty 2 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 5. Navržení úplné konstrukního ešení (stavební struktury) TS s píklady výkresové a další dokumentace TS 5.1 Návrh konstrukního ešení úplné (stavební struktury) TS (CAD modely, návrhové výkresy) Jako materiál pro výrobu spodního a horního rámu modelu, jsem zvolil sendviovou desku s obchodním názvem DIBOND. Tento materiál jsem zvolil proto, že je lehí než hliníková deska stejných rozmr a zárove je dostaten pevná pro použití pi závodech. Jedná se o kompozitní materiál, který je tvoený polyethylenovým jádrem, které je z obou stran zakryté hliníkovou deskou. Desky se dlají v tlouškách od dvou do šesti milimetr. Celkové rozmry desky jsou od 1500 x 3050 mm až po 2050 x 4050 mm. Pro mj projekt jsem zvolil tloušku 3 mm, kde jádro má tloušku 2,4 mm a každá krycí hliníková vrstva má tloušku 0,3 mm. Obr. 5.1 Zvolený materiál DIBOND [10]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Tab. 5.1 Technické parametry materiálu DIBOND [10] Tab. 5.2 Technické specifikace materiálu DIBOND [10]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.2 Srovnání tloušky a váhy materiál pi stejné ohybové tuhosti [10] Pi návrhu a konstrukci ízení jsem se snažil docílit splnní Ackermannovi podmínky. Princip je v tom, že pi prjezdu zatákou opisuje pední vnitní kolo menší polomr než vnjší pední kolo. Z toho vyplývá, že vnitní kolo musí být pi prjezdu zatákou více zatoené než vnjší, aby nedošlo k nežádoucímu smýkání kol po podkladu. Ackermannova podmínka Pi jízd zatákou je pravé a levé kolo natoeno v trochu jiném úhlu. To je zpsobeno geometrií ídícího mechanismu, která musí splovat tzv. Ackermanovu podmínku. Splnní této podmínky je základním pedpokladem správného odvalování ízených kol. [11] Mechanismus ízení, který ovládá ízená kola, musí splovat urité geometrické podmínky. Vnjší a vnitní kola opisují pi jízd zatákou kružnice s jinými polomry, aby se kola pi jízd pouze odvalovala a nevznikalo nežádoucí smýkání po vozovce, musí podvozek splovat tzv. Ackermanovu podmínku. [11] Nejdíve uvažujme ideální pípad, kdy jsou kola bon nepoddajná. Ackermannova podmínka ízení íká, že sted otáení musí ležet na prodloužené ose zadní nápravy. Pro splnní této teoretické podmínky se používá tzv. lichobžník ízení, tzn. ídicí páky spolu se spojovací tyí mají tvar lichobžníku. [11]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.3 Ideální pípad kdy jsou kola bon nepoddajná [11] Tuto podmínku lze vyjádit matematicky, oznaíme-li rozvor náprav jako l, rozchod kol b 0, r teoretický polomr zatáení, 1 úhel natoení vnjšího kola a 2 úhel natoení vnitního kola, pak z geometrie vyplývá následující vztah: [11] Zavedeme-li pomocné veliiny x a y, mžeme odvodit rovnici pímky ideálního nastavení geometrie ízení. Taková pímka vede ze stedu pední nápravy do bodu na zadní náprav ležícího ve vzdálenosti b0/2 od osy nápravy, viz obrázek. Díky složitosti ídícího mechanismu prakticky nelze u klasického ízení dosáhnout této ideální pímky. Lze se pouze více i mén piblížit k této ideální pímce. Grafickou kontrolou geometrie ízení lze získat tzv. kivku chyb. Konstrukce kivky chyb platí pouze pro tuhou nápravu. Pro nezávislé zavšení kol by bylo nutno uvažovat pohyby jednotlivých pák a tyí ízení. [11]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.4 Ideální pímka a kivka chyb [11] Ve skutenosti pi zatáení vznikají na všech kolech smrové úchylky, vyvolané pedevším vlivem odstedivé síly a poddajností pneumatik. Smrové úchylky vyjádené úhlem i posouvají skutený sted otáení mimo teoretický sted otáení. Ackermannova geometrie ízení tedy platí jen pro malé rychlosti a ideáln tuhá kola. Geometrie ízení s vlivem smrových úchylek je zobrazena na dalším obrázku. [11] Obr. 5.5 Vliv smrových úchylek na polohu stedu otáení [11]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Pi návrhu konstrukního ešení, jsem nejprve zhotovil variantu 1 spodního a horního rámu a také systému ízení. Pi testování této varianty, jsem u spodního rámu, kde jsem ml 4 možnosti uložení baterie a tím i možnost hýbat s tžištm modelu, dospl k závru, že nejvhodnjší umístní baterie, je podéln v ose modelu anebo pín k ose v pední ásti rámu. Po odstranní pebyteného materiálu, který sloužil pro uložení baterie ve zbylých dvou pozicích, jsem dospl k variant 2 u spodního rámu. Obr. 5.6 Nejlepší varianty uložení baterie [12] U ízení pro variantu 1, bylo nutné dkladné utsnní ní celého systému proti neistotám, kamínkm a hlavn prachu. Ale i po vyrobení manžet proti prachu z gumových rukavic a molitanu, se drobné neistoty dostávaly do systému a tím docházelo k jeho zadrhávání a tím zhoršené funknosti. nosti. Proto jsem vytvoil variantu 2, která je jednodušší na utsnní proti neistotám, je spolehlivjší a tím i úinnjší. Nutno utsnit proti prachu Obr. 5.7 Nevýhody ízení varianty 1 [12] Souástí pílohy je ukázka výkresové dokumentace: 1 Výkres horního rámu pro variantu 1 2 Výkres horního rámu pro variantu 2 3 sestava ízení pro variantu 1
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.8 Ukázka 3D modelu RC auta 1 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj Obr. 5.9 Ukázka 3D modelu RC auta 2 [12]
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 5.2 Výpotové hodnocení navrženého konstrukního ešení (stavební struktury) TS Pvodní model Navržený model Hmotnost bez elektroniky 653 g 684 g Hmotnost bez baterie 1300 g 1338 g Provozní hmotnost 1562 g 1591 g Polomr zatáení 365 mm 245 mm Svtlá výška modelu 12 mm 30 mm Tab. 5.3 Porovnání technických vlastností pvodního a navrženého modelu [12] Z tabulky je zejmé, že hmotnost navrženého modelu je o 31 g vyšší, ale oproti pvodnímu modelu je zde vtší tuhost, lepší rozložení váhy blíže podélné osy, vtší odolnost rámu než u pvodního plastového a mén prostoru, kde by se mohly zachytávat neistoty jako bláto, tráva, atd. Celková hmotnost modelu také závisí na zvolené karoserii, kde mže být rozdíl ve váze i více než 100 g. Jednak je to délkou karoserie, doplky ke karoserii jako jsou zptná zrcátka, pítlané kídlo, svtelné paraboly, ale i potem nanesených vrstev barvy. Dále pak hmotnost závisí na zvolené baterii. Nejastji používané jsou lithium-polymerové baterie, protože jsou lehí než nikl-metal hydridové baterie a tím se dá dosáhnout nižší hmotnosti modelu, nebo je možné použít Li-pol baterie s vyšší kapacitou pi zachování stejné hmotnosti jako pi použití NiMH baterie s nižší kapacitou. Baterie Li-pol Kapacita [mah] Rozmry [mm] Hmotnost [g] Turnigy 2200 105x34x16 135 ZIPPY 4000 138x47x23 235 Turnigy nano-tech shorty 4200 96x46,4x25 189 LRP VTEC 5200 139x47x25 252 Tab. 5.4 Srovnání mnou používaných baterii [12] 6. Studie zabezpeení realizace základních životních etap navrženého TS 6.1 Zabezpeení využité k návrhu TS Pi navrhování TS jsem vycházel z komern vyrábných model a dostupných díl, aby bylo možné veškeré díly nároné na výrobu (diferenciály, tlumie, ozubená kola, kulové epy, atd.) poídit již hotové. Materiál pro nosnou konstrukci jsem zvolil takový, aby byl lehký, pevný, dobe obrobitelný, levný a dostupný. 6.2 Zabezpeení dokonení návrhu TS a jeho realizaci Pro realizaci návrhu je potebné základní dílenské vybavení, jako je vrtaka, úhlová bruska, pilka na železo, runí vzduchová frézka a náadí jako kladivo, šroubovák apod. 6.3 Zabezpeení provozu a likvidace navrženého TS Zabezpeení provozu je zajištno tím, že vtšina díl je použita z model, které jsou komern vyrábné a jsou na n proto i dodávané jednotlivé náhradní díly jako jsou ramena, poloosy, tlumie, atd. Pokud jde o díly, které jsou speciáln vyrobené pro tento model, jako je
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj horní a spodní rám, zadní úchyty tlumi, systém ízení, atd., tak ty nepotebují žádné speciální stroje nebo postup výroby, tudíž si je zruný modelá dokáže vyrobit pomocí základního dílenského náadí. Co se týká materiálu pro výrobu specifických díl, tak jsou to opt snadno dostupné materiály jako hliníkový plech, kompozitní materiál dibond, spojovací materiál, podložky atd. Likvidace navrženého TS je taktéž bezproblémová. Po kompletním rozebrání modelu nám zstanou zvláš kovové a zvláš plastové díly, které se dají snadno recyklovat. Jediné co by mohlo být obtížnjší na likvidaci je sendviový materiál, kde se nejdíve musí oddlit hliníkové vrstvy od polyethylenového jádra. Provozní kapaliny jako je silikonový olej do tlumi a vazelína na ozubená kola nejsou toxicky závadná. 7. Studie technologie výroby navrženého TS s píkladem technologického postupu vybrané souásti Velká ást díl modelu je z komern dostupných díl rzných model RC aut. Nejdležitjší díl, kterým je pední skí diferenciálu pochází z modelu firmy Tamiya a jedná se konkrétn o model TA-03. Další díly jako jsou ramena, pochází z modelu TB-02 od stejného výrobce. Tlumie a spojovací díly jsou univerzální pro veškeré RC modely od firmy Tamiya. Pro skombinování díl z rzných model jako je skí a ramena, která jsou uchycena ke skíni, se tyto díly musí upravit, v tomto pípad se úchyty na skíni diferenciálu museli zkrátit pomocí runí pilky o 2 mm z každé strany a úchyty na ramenou se musely vybrousit na kotouové brusce o 5 mm. Dále se museli upravit ramena v oblasti uchycení zadních náboj a pedních C díl, v kterých jsou uchycené pední náboje, opt se musela ramena vybrousit vzduchovou frézkou, aby bylo dosaženo vtšího rozsahu pohybu náboj a tím se dala zvtšit svtlá výška modelu. Výroba rámu modelu zaala vytvoením 3D modelu v CAD programu, kdy vznikla varianta modelu 1. Dále se vytvoila výkresová dokumentace a podle ní se vyrobily prototypy horního a spodního rámu modelu z 3 mm tlustého hliníkového plechu. Podobn vznikla varianta ízení 1, která byla sestavená z vyrobených díl a komern dostupných spojovacích díl. Poté se vyrobil úchyt zadních tlumi a sloupk pro uchycení karoserie. Následn se veškeré díly zkompletovaly a probhlo testování modelu a následné úpravy. Tím vznikla varianta modelu 2, která již byla konená. Píklad technologického postupu horního rámu modelu: V první ad se vybral nejvhodnjší model pro úpravu na 2WD. Dále se zhotovil 3D model v elektronické podob. Podle výkresové dokumentace se vytvoil prototyp z desky z hliníkového plechu, za pomoci runí pilky se vyezal tvar horního rámu. Na stolní vrtace se vyvrtaly potebné díly a záhlubníkem se zahloubily pro použití šroub se zapuštnou hlavou. Veškeré hrany se po oezání srazily runím pilníkem. Poté se horní rám namontoval na model a otestoval se. Po skonení testování se rám opt odmontoval a použil se jako pedloha pro výrobu rámu ze sendviového materiálu dibond. Z 3 mm silné desky o rozmru 200 x 300 mm se runí pilkou vyízl tvar a dále se postupovalo stejným zpsobem jako pi výrob prototypu z hliníkového plechu. 8. Predikování náklad na vývoj, výrobu, provoz a likvidaci navrženého TS Náklady na vývoj byly nejvtší pi nákupu zvoleného modelu pro úpravu, kdy se jednalo o model z bazaru za 1500,-. Náklady na grafické návrhy a 3D model byly nulové. Na zhotovení prototypu z hliníkového plechu byly náklady opt nulové, jelikož se mi podailo
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj sehnat materiál zdarma, který byl urený jako odpadní materiál z výroby. Sendviový materiál dibond jsem sehnal z modeláského obchodu, kde deska o rozmru 200 x 300 mm stojí 45,-. Takže celkové náklady na vývoj iní 1545 K. Náklady na vývoj Poízení vybraného modelu 1500,- Hliníkový plech pro výrobu prototypu 0,- Sendviový materiál dibond 45,- Celkem 1545,- Tab. 8.1 Náklad na vývoj strojního spodku [12] Pi výrob byly hlavní náklady elektina na osvtlení dílny, provoz vrtaky, brusky, kompresoru a dalšího elektrického náadí. Dále pak náklady z opotebení náadí a má práce vložená do výroby modelu. Bohužel nejsem schopen tyto náklady vyíslit. Na modelu se bhem jeho používání musí mnit tzv. spotební materiál, jako jsou kulové epy a konektory, v kterých bhem používání vznikají vle, dále se pak musí mnit pneumatiky, které pi používání ztrácejí dezén. Bhem závod dochází k opotebení kulikových ložisek v nábojích kol a to zejména na nezpevnných prašných tratích. Prachem také trpí tlumie, ve kterých se musí mnit olej. Spotební materiál Cena Potebný poet na model Cena pi výmn plného potu díl Kulové epy 12,- / ks 20 240,- Kulové konektory 13,- / ks 20 260,- Sada pneumatik 269,- / 4 ks 1 269,- Kuliková ložiska 27,- / ks 8 216,- Olej do tlumi 99,- / 50 ml 1 99,- Celkem 50 1084,- Tab. 8.2 Náklady na provoz modelu [12] Tyto náklady na provoz jsou tém shodné pro všechny modely používané pro závody rallye. Liší se podle potu a druhu závod, pokud se jede více závod na asfaltových nebo betonových tratích, tak ložiska, kulové epy a konektory vydrží déle, ale naopak se musí astji za sezonu mnit pneumatiky. Zatímco pi vtším potu šotolinových soutží je menší spoteba pneumatik, tak v kulových konektorech se mnohem rychleji vytvoí vle, stejn tak dochází k rychlejšímu opotebení kulikových ložisek. Náklady na likvidaci jsou nulové. Model se dá kompletn rozebrat, oddlí se tak plastové díly a kovové díly. Plast se mže dát do žlutého kontejneru na recyklaci a kovové díly se mohou odnést do sbru. Model se mže prodat na bazaru, popípad darovat. Veškeré díly jsou zdravotn nezávadné, a proto není poteba žádné speciální likvidace.
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 9. Hodnocení kvality a konkurenceschopnosti navrženého TS Hotový model jsem testoval na trati ve Temošné, kde se poádají závody v RC rallye. Vyznail jsem si úsek, který jsem projel pibližn bhem dvou minut. Tento úsek jsem nkolikrát projel v závodním tempu v obou smrech a vždy jsem si mil as. Poté jsem ten samý úsek opt obma smry projel i s modelem s pohonem všech ty kol, se kterým se bžn zúastuji závod RC Rallye a porovnal jsem namené asy. S novým modelem s pohánnou pouze pední nápravou jsem zajíždl pomalejší asy prmrn o 9 až 10 vtein. Tyto výsledky jsem porovnal s výsledky prvního letošního závodu ve Temošné z 28. 3. 2015, kde se jeli ob kategorie, 4WD i 2WD, kde jsem se zúastnil pouze s modelem 4WD a ke svým asm v jednotlivých rychlostních zkouškách jsem pietl 5 sekund ke každé odjeté minut. Z tchto výpot jsem došel k pedpokladu, že bych se se mnou navrženým modelem s pohánnou pouze pední nápravou ml pohybovat mezi nejrychlejšími v kategorii 2WD. Ale to jsou pouze spekulace a pedpoklady. To jak bude model konkurence schopný, se ukáže až v prvním odjetém závod. Mé osobní hodnocení navrženého strojního spodku modelu je velice pozitivní. Model se pi jízd chová pedvídateln a je dobe ovladatelný. Díky sníženému polomru zatáení model zvládne bez problém projet ostrými zatákami, které jsou o 180. Díky zvýšené svtlé výšce model plynule pekonává pekážky, jako jsou koeny, klacíky nebo šišky. A systém ízení se zdá být spolehlivý, bhem testování s ním nebyl žádný problém. 10. Závr Cílem této práce bylo navrhnout strojní spodek modelu RC auta. Jednalo se o výbr vhodného modelu a následn návrh nového strojního spodku s úpravou na model s pohánnou pouze pední nápravou tak, aby se mohl použít pro závody RC rallye. Z nkolika model jsem vybral nejideálnjší a ten jsem zakoupil. Dále jsem navrhl nkolik variant strojního spodku a po vyhodnocení jsem zvolil nejlepší z nich. Dále jsem vybral vhodný materiál pro konstrukci a celý strojní spodek jsem vyhotovil. Následovalo testování modelu a dodatené úpravy a zlepšování nkterých ástí. Navržený strojní spodek je funkní a spluje podmínky, které jsem si stanovil na zaátku práce. Spluje požadavky a pravidla pro úast na závodech RC rallye. Z mého pohledu je model konkurenceschopný. Krom západoeského šampionátu bych se s ním rád zúastnil i závodu mistrovství eské Republiky RC Rally pro kategorii model s pohánnou pouze jednou nápravou a to 5. 9. 2015 ve Temošné.
Západoeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Bakaláská práce, akad. Rok 2014/15 Katedra konstruování stroj 11. Seznam použité literatury Knižní publikace [1] VLK, F.. Stavba motorových vozidel. Brno: nakladatelství Vlk, 2003 [2] VLK, F.. Automobilová technická píruka. Brno: nakladatelství Vlk, 2003 Elektronické zdroje [3] http://www.wgtshop.com/store/show/x300013 (14.10.2014) [4] http://www.ultimaterc.com/gallery/index.php?cat=44 (14.10.2014) [5] http://www.wheelsacademy.com/a1/rcauto/tamiya/electro/chassis/index.html (14.10.2014) [6] http://www.ultimatetamiya.com/cars/df03ra/ (15.10.2014) [7] https://www.tamiyausa.com/product/item.php?product-id=58417 (15.10.2014) [8] http://racing.webgarden.cz/rubriky/akce-a-zavody/pravidla-a-terminy/pravidla-2015 (15.10.2014) [9] http://www.tamiya.com/english/rc/manuals.htm (20.10.2014) [10] http://www.axom.cz/obsah/hlinikove-desky-dibond (2.11.2014) [11] http://cs.autolexicon.net/articles/ackermannova-podminka/ (2.11.2014) Další zdroje [12] Vlastní tvorba
7 7 7 640,5 320,5 18 47 50 17 40 57 840,5 11 10 7 9 10 3 6 5 4 3 2 1 D B-B ( 1 : 1 ) 10 50 7 49 15 15 52 20 8 4 D 2300,5 C 52 22 47 22 60 B 70 40 16 14 70 40 2x3 0,2AB C B 12 R2 2x3 4xR4 2x3 3 3x6 3 2x3 9 6xR2 20 12 4 A B 12 16 10 R2 R2 R2 B 1:1,5 80 67 R2 B Textura povrchu Hrany ISO 13715 Měřítko 1:1 Hmotnost (kg) 0,050 Přesnost Tolerování Promítání ISO 2768 - mk ISO 8015 A 6 5 4 Materiál - Polotovar FAKULTA STROJNÍ ZÁPADOČESKÉ UNIVERZITY V PLZNI KKS KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ 3 DIBOND Kreslil Datum Schválil Datum Druh dokumentu 10.3. 2015 VÝROBNÍ VÝKRES 2 Název Číslo dokumentu List 1 Formát HORNÍ RÁM VARIANTA 1 TA03 - HR01 Listů A3 A
7 47 7 32 7 25 820,5 640,5 320,5 7 27 11 28 10 7 6 3 6 5 4 3 2 1 D A-A ( 1 : 1 ) D 60 7 49 15 15 59 6 2100,5 52 22 47 22 R2 A 21 R2 C 10 60 C A 12 R2 2x3 R2 65 2x3 4xR4 3 3x6 3 3x3 0,2AB 2x3 B A 12 16 10 R2 B 80 67 R2 R2 B 1:1,5 20 11 Textura povrchu Hrany ISO 13715 Měřítko 1:1 Hmotnost (kg) 0,048 Přesnost Tolerování Promítání ISO 2768 - mk ISO 8015 A 6 5 4 Materiál - Polotovar FAKULTA STROJNÍ ZÁPADOČESKÉ UNIVERZITY V PLZNI KKS KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ 3 DIBOND Kreslil Datum Schválil Datum Druh dokumentu 12.3. 2015 VÝROBNÍ VÝKRES 2 Název Číslo dokumentu List 1 Formát Listů A3 HORNÍ RÁM VARIANTA 2 TA03 - HR02 A
78 30 18 36 A 18 A-A ( 1 : 1 ) 2 3 2 2 1 2 4 A 23 5 9 POZICE 1 2 3 4 KS 1 3 1 1 KUSOVNÍK ČÍSLO SOUČÁSTI TA03 - R101 TA03 - C01 TA03 - R102 TA03 - C03 POPIS úchyt řízení kulový čep tyč řízení čep 2x10mm Měřítko Hmotnost (kg) Promítání Formát FAKULTA STROJNÍ ZÁPADOČESKÉ UNIVERZITY V PLZNI KKS 1:1 0,092 KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ Kreslil Datum Schválil Datum Druh dokumentu VÝKRES SESTAVY Název 20.3. 2015 SESTAVA ŘÍZENÍ VARIANTA 1 Číslo dokumentu TA03 - SR01 List A4 Listů