ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ Studijní program: N2301 Strojní inženýrství Studijní obor: 2302T013 Stavba výrobních strojů a zařízení DIPLOMOVÁ PRÁCE Návrh inovace automobilového zadního sedačkového zámku Autor: Bc. Dennis ŠTÝBR Vedoucí práce: Doc. Ing. Zdeněk HUDEC, CSc. Akademický rok 2016/2017 1
Prohlášení o autorství Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě strojní Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. V Plzni dne:.................. podpis autora Autorská práva Podle zákona o právu autorském č. 35/1965 Sb. (175/1996 Sb. ČR) 17 a Zákona o vysokých školách č. 111/1998 Sb. je využití a společenské uplatnění výsledků diplomové práce, včetně uváděných vědeckých a výrobně-technických poznatků nebo jakékoli nakládání s nimi možné pouze na základě autorské smlouvy za souhlasu autora, firmy WITTE Automotive Nejdek, spol. s.r.o. a Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. 2
ANOTAČNÍ LIST DIPLOMOVÉ (BAKALÁŘSKÉ) PRÁCE AUTOR Příjmení Štýbr Jméno Dennis STUDIJNÍ OBOR 2302T013 Stavba výrobních strojů a zařízení VEDOUCÍ PRÁCE PRACOVIŠTĚ Příjmení (včetně titulů) Doc. Ing. Hudec,CSc. ZČU - FST - KKS Jméno Zdeňek DRUH PRÁCE DIPLOMOVÁ BAKALÁŘSKÁ Nehodící se škrtněte NÁZEV PRÁCE Návrh inovace automobilového zadního sedačkového zámku FAKULTA strojní KATEDRA KKS ROK ODEVZD. 2017 POČET STRAN (A4 a ekvivalentů A4) CELKEM TEXTOVÁ ČÁST GRAFICKÁ ČÁST STRUČNÝ POPIS (MAX 10 ŘÁDEK) ZAMĚŘENÍ, TÉMA, CÍL POZNATKY A PŘÍNOSY Diplomová práce obsahuje designérský návrh zadního sedačkového zámku s imobilizační funkcí. Návrh obsahuje funkční a toleranční analýzy. Dále jsou zde provedeny výpočty analytické a metodou konečných prvků. KLÍČOVÁ SLOVA ZPRAVIDLA JEDNOSLOVNÉ POJMY, KTERÉ VYSTIHUJÍ PODSTATU PRÁCE Automobily, zadní opěradlo, zámek, imobilizační funkce, pevnostní analýza, FEM, toleranční výpočet, inovace 3
SUMMARY OF DIPLOMA (BACHELOR) SHEET AUTHOR Surname Name Štýbr Design FIELD OF STUDY 2302T013 Desing of manufacturing machines and equipment SUPERVISOR INSTITUTION Surname (Inclusive of Degrees) Doc. Ing. Hudec,CSc. ZČU - FST - KKS Name Zdeněk TYPE OF WORK DIPLOMA BACHELOR Delete when not applicable TITLE OF THE WORK Design inovation of automobile back seat lock FACULTY Mechanical Engineering DEPARTMENT Machine Design SUBMITTED IN 2017 NUMBER OF PAGES (A4 and eq. A4) TOTALLY 89 TEXT PART 67 GRAPHICAL PART 21 BRIEF DESCRIPTION TOPIC, GOAL, RESULTS AND CONTRIBUTIONS Diploma thesis contains a design proposal of a back seat lock with antirattling function. Design includes functional analysis, tolerance analysis and strength calculations of whole assembly. KEY WORDS Cars, back seat, lock, anti rattling, strength calculations, FEM analysis, inovation. 4
PODĚKOVÁNÍ V první řadě bych chtěl poděkovat vedoucímu práce Doc. Ing. Zdeňku Hudcovi, Csc za jeho cenné rady a připomínky. Také bych chtěl poděkovat mému konzultantovi Ing. Janu Kučerovi a to za pomoc při řešení konkrétních konstrukčních problémů. Dále bych chtěl poděkovat společnosti WITTE Automotive za poskytnutí tohoto tématu. 5
Obsah SEZNAM OBRÁZKŮ... 8 SEZNAM TABULEK... 10 1 ÚVOD... 11 1.1 ZÁKLADNÍ INFORMACE O SEDAČKOVÝCH ZÁMCÍCH... 11 1.2 POPIS FUNKCE... 11 1.2.1 UZAMYKÁNÍ ZÁMKU... 15 1.2.2 ODEMYKÁNÍ ZÁMKU... 17 1.2.3 VYMEZOVÁNÍ VŮLE IMOBILIZAČNÍ FUNKCE... 18 1.3 ZODNOCENÍ STÁVAJÍCÍHO ŘEŠENÍ... 21 1.3.1 Z HLEDISKA KONSTRUKCE... 21 1.3.2 Z HLEDISKA MONTÁŽE A SÉRIOVÉ VÝROBY... 21 1.3.3 Z HLEDISKA ODEMYKÁNÍ A ZAMYKÁNÍ... 21 2 DEFINICE PARAMETRŮ... 22 2.1.1 PEVNOSTNÍ POŽADAVKY... 22 2.1.2 POŽADAVKY ŽIVOTNOSTNÍ... 22 2.1.3 KOROZNÍ POŽADAVKY... 22 3 BENCHMARKING... 23 4 VARIANTY ŘEŠENÍ... 25 4.1 VARIANTA A... 25 4.2 VARIANTA B... 26 4.3 VARIANTA C... 27 4.4 VYHODNOCENÍ KONCEPTŮ A VÝBĚR VARIANTY... 28 5 NOVÝ KONCEPT SEDAČKOVÉHO ZÁMKU... 29 5.1 BLACK BOX... 29 5.2 ZÁKLADNÍ POŽADAVKY... 30 5.3 NÁVRH KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ... 30 5.3.1 POPIS A FUKNCE... 31 5.3.2 NÁVRH PRUŽIN... 32 5.3.3 VÝPOČET OTEVÍRACÍ SÍLY... 38 5.3.4 VÝPOČET ZAVÍRACÍ SÍLY... 44 6
5.3.5 VÝPOČET 30G... 47 5.3.6 FUNKČNÍ ANALÝZA ZAMYKACÍ SEKVECE... 49 5.3.7 FUNKČNÍ ANALÝZA ODEMYKACÍ SEKVENCE... 51 5.3.8 FEM ANALÝZA... 53 5.3.9 TOLERANČNÍ ANALÝZY... 61 5.4 ZHODNOCENÍ NÁVRHU... 66 6 ZÁVĚR... 67 POUŽITÁ LITERATURA... 68 LITERATURA... 68 INTERNETOVÉ ZDROJE... 68 POUŽITÝ SOFTWARE... 68 7
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1-3D model zadního opěradla... 11 Obr. 2 - Zadní opěradlo... 11 Obr. 3-3D model zadního sedačkového zámku... 14 Obr. 4 - Rozpad 3D sestavy... 14 Obr. 5-1. sekvence zamykání... 15 Obr. 6-2. sekvence zamykání... 15 Obr. 7-3. sekvence zamykání... 16 Obr. 8-4. sekvence zamykání... 16 Obr. 9-1. sekvence odemykání... 17 Obr. 10-2. sekvence odemykání... 17 Obr. 11 - Možnosti kompenzování vůle... 18 Obr. 12 - Varianta řešení - gumový pufer... 19 Obr. 13 - Varianta řešení -posuvný klín... 19 Obr. 14 - Benchmarking zámků... 24 Obr. 15 - Varianta A... 25 Obr. 16 - Varianta B... 26 Obr. 17 - Varianta C... 27 Obr. 18 - Výběr konstrukční varianty... 28 Obr. 19 - Schéma technického systému... 29 Obr. 20 - Rozpracovaný nový koncept zámku... 31 Obr. 21 - Rozpad sestavy... 32 Obr. 22 - Výkres pružiny rohatky... 33 Obr. 23 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu... 33 Obr. 24 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu... 34 Obr. 25 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu... 35 Obr. 26 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu... 36 Obr. 27 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu... 37 Obr. 28 - Silový rozklad pro výpočet otevírací síly... 38 Obr. 29 - Silový rozklad pro výpočet otevírací síly... 38 Obr. 30 - Graf průběhu otevírací síly.... 43 8
Obr. 31 - Výpočtové schéma pro výpočet zavírací síly... 44 Obr. 32 - Graf průběhu zavírací síly... 46 Obr. 33 - Výpočtové schéma pro výpočet 30G... 47 Obr. 34 - Zamykací sekvence1... 49 Obr. 35 - Zamykací sekvence 2... 49 Obr. 36 - Zamykací sekvence 3... 50 Obr. 37 - Zamykací sekvence 4... 50 Obr. 38 - Zamykací sekvence 5... 50 Obr. 39 - Odemykací sekvence 1... 51 Obr. 40 - Odemykací sekvence 2... 51 Obr. 41 - Odemykací sekvence 3... 51 Obr. 42 - Odemykací sekvence 4... 52 Obr. 43 - Zjednodušený výpočtový model... 53 Obr. 44 - Tabulka parametrů materiálů... 54 Obr. 45 - Zasíťovaný model... 54 Obr. 46 - Okrajové podmínky pro řešení... 55 Obr. 47 - Výsledky napěťové analýzy - sestava... 56 Obr. 48 - Výsledky napěťové analýzy - rohatka... 56 Obr. 49 - Výsledky napěťové analýzy - řez rohatkou... 56 Obr. 50 - Výsledky deformační analýzy - sestava... 57 Obr. 51 - Výsledky deformační analýzy - rohatka... 57 Obr. 52 - Okrajové podmínky pro výpočet... 58 Obr. 53 - Výsledky napěťové analýzy - sestva... 59 Obr. 54 - Výsledky napěťové analýzy - rohatka... 59 Obr. 55 - Výsledky deformační analýzy - sestava... 60 Obr. 56 - Výsledky deformační analýzy - rohatka... 60 Obr. 57 - Schéma výpočtů v radiálním směru v oblasti nýtu rohatky... 61 Obr. 58 - Schéma výpočtů v radiálním směru v oblasti nýtu západky... 62 Obr. 59 - Schéma výpočtů v axiálním směru v oblasti nýtu rohatky... 63 Obr. 60 - Toleranční řetězec... 63 Obr. 61- Schéma výpočtů v axiálním směru v oblasti nýtu západky... 64 9
Obr. 62 - Toleranční řetězec... 64 Obr. 63 - Tabulka vstupních hodnot a tolerancí... 65 Obr. 64 - Výstup toleranční analýzy... 65 Obr. 65 - Výsledná jmenovitá vůle... 65 Obr. 66 - Díly pro nový koncept... 66 Obr. 67 - Výsledné srovnání... 66 SEZNAM TABULEK Tab. 1 - Tabulka parametrů pružiny rohatky... 33 Tab. 2 - Tabulka parametrů pružiny západky... 34 Tab. 3 - Tabulka parametrů pružiny pojistné páky... 35 Tab. 4 - Tabulka parametrů pružiny otevírací páky... 36 Tab. 5 - Tabulka parametrů pružiny indikátoru... 37 Tab. 7 - Tabulka rozměrových parametrů... 39 Tab. 6- Tabulka koeficientů tření... 39 Tab. 8- Tabulka parametrů pružin... 39 Tab. 9 Tabulka výpočtů v radiálním směru... 61 Tab. 10 - Tabulka výpočtů v radiálním směru... 62 Tab. 11 - Tabulka vstupních hodnot a tolerancí... 63 Tab. 12 - Výsledná jmenovitá vůle... 63 Tab. 13 - Výstup toleranční analýzy... 64 10
1 ÚVOD 1.1 ZÁKLADNÍ INFORMACE O SEDAČKOVÝCH ZÁMCÍCH Zadní sedačkový zámek podobně jako většina zámků ve voze patří do takzvaných pasivních bezpečnostních systémů. Pasivní systémy se jím říká proto, protože slouží až v okamžiku autonehody. Jsou to různá konstrukční řešení, jejichž cílem je minimalizovat následky střetu. Také neobsahují žádné aktivní zařízení nebo mechanismy. Zámek je zabudován v opěradle zadního sedadla. 1.2 POPIS FUNKCE Sedačkový zámek má několik důležitých funkcí. Mezi hlavní funkce patří odemykání a zamykání zadního opěradla a to za účelem jeho sklopení. Zákazník tuto funkci nejčastěji používá v případě, že chce zvětšit objem zavazadlového prostoru anebo, když chce získat přístup do zavazadlového prostoru automobilu. Další funkcí zámku je držet opěradlo zamčené a neumožňovat mu jakýkoliv pohyb a to nejen při jízdě ale i při autonehodě. Obr. 2 - Zadní opěradlo Obr. 1-3D model zadního opěradla Zadní sedačkový zámek jako sestava se skládá z několika dílů. Každý díl má svoji přesnou funkci. Snahou vývojové konstrukce je neustále svoje produkty optimalizovat. A to například snižováním počtu dílů nebo jejich optimalizací, avšak s ohledem na splnění zákaznických, legislativních a WITTE požadavků. V této kapitole bude popsána funkce a význam každého dílu. Základními prvky jsou rohatka, západka a základní plech. Dohromady tvoří takzvané blokovací ústrojí, jenž drží zamykací čep v zamčené poloze. 11
K tomu, abychom mohli zámek optimalizovat, musíme nejprve pochopit jeho požadavky na funkci. Zámek prochází dvěma stavy. Otevřeným a uzavřeným stavem. 1) Rohatka (claw) a západka (pawl) Rohatka společně se západkou zajišťují zamykací čep v zamčené poloze. Na tyto dva díly jsou kladeny vysoké požadavky a to především z hlediska pevnosti a geometrie. Rohatka se západkou přenáší síly od zamykacího čepu, jejich směry a velikost působení budou popsány v dalších kapitolách. Kvůli velikosti přenášených sil se ty to díly vyrábějí z oceli. Často však obstříknuté plastem, to především kvůli snížení hluku, k němuž dochází při jejich vzájemném kontaktu. 2) Plastový Domek (Housing) Domek neboli (Housing) je díl, v němž jsou všechny díly uloženy. Jde o takzvané torso zámku. Housing je velmi složitý plastový výstřik. 3) Základní plech (Base plate) Základní plech je k sestavě přichycen pomocí dvou nýtů. Je tvořen řadou prolisů a to z důvodu zvýšení jeho vysoké pevnosti vzhledem k nízké tloušťce plechu. 4) Adaptér (Adapter) Adaptér slouží k vymezování vůle v drážce rohatky vůči zamykacímu čepu. Posouvá se v radiálním směru proti pohybu čepu. Je ovládán posuvným klínem. 5) Pružina adaptéru Jedná se o tlačnou pružinu, jenž je umístěna na technologickém čepu adaptéru. Její hlavní funkcí je držet adaptér v maximální horní poloze, v okamžiku kdy je zámek odemčený. V případě, že by zde pružina nebyla, adaptér by se mohl samovolně posouvat a docházelo by tak k nežádoucím zvukům neboli rachtání. 12
6) Klín (Wedge) Klín se skládá ze dvou částí jedna část je vyrobena z materiálu POM a je v ní uložena tlačná pružina a druhá část je vyrobena z materiálu PA 6.6 GF30. Klín je uložen v domku a posouvá se pouze v axiálním směru. Jeho hlavní funkcí je vytvářet tlak zespoda na adaptér a tím ho posouvat v radiálním směru. Důvod, proč se skládá klín ze dvou částí je ten, že v případě, že by došlo k zaseknutí klínu mezi konturu domku a adaptér, tak dojde k vysunutí jedné části klínu a nedojde tak k tomu, že by klín nebylo možné odtlačit západkou. 7) Pružina klínu Pružina klínu je tlačná pružina, která vytváří posuvovou sílu, díky které se klín lineárně posouvá. Je uchycena v technologickém čepu plastového domku a ve žlábku prvního dílu plastového plastového klínu. 8) Pružina rohatky (Spring) Zkrutná pružina rohatky je taktéž uložena v plastovém domku. Jedním ramínkem se opírá o technologický výstupek v domku a druhým o čep v rohatce. Tím, že je předepnuta tak neustále natáčí rohatku do otevřeného stavu. 9) Otevírací páka (Griff) Grif je páka, která je uložena v domku na svých otočných čepech. Při zatažení grifu do zadní polohy dojde k uvolnění západkového klínu a tím dojde k otevření zámku. 10) Pružina otevírací páky Jedná se o zkrutnou pružinu, která působí proti pohybu otevírání. Svým působení na otevírací páku, ji drží v předepnutém stavu, tak aby nedošlo k jejímu samovolnému pohybu, případně rachtání. 11) Indikátor ( Indicator) Indikátor je ovládán otevírací pákou pružinou indikátoru. Je uložen v domku a posouvá se pouze v axiálním směru. Jeho hlavní funkce je indikovat, zda-li je zámek odemčen nebo uzamčen. V případě uzamčeného zámku je indikátor zasunut. V případě odemčeného zámku je indikátor vysunut. 12) Zamykací čep ( Striker) Zamykací čep má kruhový průřez. Nejčastěji je zahnut do tvaru oka a je pevně spojen s karoserií vozidla. 13
13) Nýt (Rivet) Nýty jsou v celé sestavě dva a mají dvě základní funkce. Jednou z nich je spojovat domek s krycím plechem a druhou funkcí je umožňovat rotaci rohatce a západce. Obr. 3-3D model zadního sedačkového zámku Pro lepší popis zámku je zde uveden i rozpad sestavy celého zámku. Při konstruování zámku je taktéž nutné brát ohled na snadnou montáž. Indikátor Otevírací páka Domek Adaptér Pružina adaptéru Nýt Pružina otevírací páky Pružina klínu Pružina rohatky Klín Základní plech Západka 14 Rohatka Obr. 4 - Rozpad 3D sestavy
1.2.1 UZAMYKÁNÍ ZÁMKU Pro názornou ukázku stavů, ke kterým dochází při uzamykání zámku, byly vytvořeny čtyři řezy sestavou zámku v jednotlivých sekvencích. Popis jednotlivých kroků v průběhu zamykání 1. Výchozí stav. Zámek se nachází v otevřeném stavu. Rohatka (1) je v otevřené poloze a to díky předepnuté pružině (8), která díky svému předepnutí natočí rohatku do otevřené polohy. Indikátor (11) indikuje otevřený stav, tím že je jeho větší část plochy vysunuta. Jde o jasnou vizualizaci stavu, v jakém se zámek nachází. Otevírací páka (9) je v zadní poloze. Zamykací čep (12) je mimo dosah zámku. 12 Obr. 5-1. sekvence zamykání 2. V dalším kroku dojde k prvnímu kontaktu mezi zamykacím čepem a konturou rohatky. Zamykací čep zapadá do drážky rohatky. Vlivem posuvu čepu ve směru osy z dochází k natáčení západky okolo své osy rotace. Tím, že dojde k pootočení rohatky, dojde zároveň k posuvu klínu (7) ve směru osy y. Obr. 6-2. sekvence zamykání 15
3. Zamykací čep stále více pootáčí rohatku. Rohatka, díky své geometrické kontuře a vhodné kontuře západky (1), je schopna západku natočit. Západka vlivem své rotace posouvá klín (6) ve směru osy y. Musí přemoct pružinu (7), která je v klínu uložena a stlačována. Klín svým posuvem působí na adaptér (4) a posouvá ho ve směru osy Z. Pro snazší posuv působí na adaptér ještě tlačná pružina (5). Indikátor stále indikuje otevřený stav. Obr. 7-3. sekvence zamykání 4. Zámek se nachází v uzamčené poloze. Západka zapadla do rohatky (1), tím je zamezeno jakémukoliv pohybu nebo případně odemčení. Vlivem pootočení západky došlo také k pootočení otevírací páky (9) do uzavřené polohy. Adaptér (4) je vysunut do svojí maximální horní polohy. Jednou částí své kontury podepírá stěnu rohatky a západky, druhou částí své kontury vymezuje vůli mezi zamykacím čepem a drážkou rohatky. Indikátor je zasunut v domku. Obr. 8-4. sekvence zamykání 16
1.2.2 ODEMYKÁNÍ ZÁMKU V průběhu odemykání dochází k podobným stavům jako při zamykání, nelze však tvrdit že by postup byl identický pouze v opačném pořadí. A proto je zde odemykání popsáno ve dvou sekvencích. 1. K odemknutí zámku dojde při otočení otevírací páky do zadní polohy. V této sekvenci se páka nachází v polovině svého zdvihu. Vlivem otočení otevírací páky dojde k pootočení západky. V průběhu otáčení otevírací páky dále dochází k vysouvání indikátoru. Jenž je ovládán druhým ramenem otevírací páky skrz zkrutnou pružinu, jejíž jedno ramínko je spojeno s otevírací pákou a druhé s indikátorem. Obr. 10-1. sekvence odemykání 2. V dalším kroku se západka natočí natolik, aby odlehla od rohatky. Rohatka je v tomto okamžiku odemknuta a díky předepnuté zkrutné pružině má rohatka dostatek energie, aby se dostala do koncové polohy a odtlačila od sebe uzamykací čep. V kabině vozidla dojde k odskočení zadního opěradla. Obr. 9-2. sekvence odemykání 17
1.2.3 VYMEZOVÁNÍ VŮLE IMOBILIZAČNÍ FUNKCE Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, uzamykací čep v zamčené poloze zámku je uzamčen v drážce rohatky. Důležitou funkci, kterou musí zámek plnit je takzvané vymezování vůle. Zde se myslí vůle mezi drážkou a čepem. Jde zde o rozdíl průměrů drážky a zamykacího čepu. Vzhledem ke skutečnosti, že průměr drážky musí být větší, než průměr čepu musí být tato vůle nějakým zařízením kompenzována. Vůle vzniká vlivem rozdílných výrobních tolerancí strikeru a rohatky a také důsledkem opotřebování zamykacího čepu vlivem používání. Obr. 11 - Možnosti kompenzování vůle Na obrázku xy vidíme 3 základní polohy rohatky a vymezovacího zařízení. Tyto obrázky jsou pouze ilustrativní. Skutečná vůle mezi uzamykacím čepem a drážkou rohatky je řádově v desetinách milimetru. Při výpočtu toleranční analýzy se vždy počítá s nejhorším stavem, který muže nastat. Většinou se takovému případu WORST CASE. V našem případě jde o stav, kdy drážka rohatky má největší povolený průměr a průměr zamykacího čepu dosahuje naopak hodnot nejmenších. Samozřejmě vše je v rámci tolerančních mezí. Když se k tomuto nejhoršímu stavu přičte ještě opotřebení zamykacího čepu. Vzniká vůle, jenž je potřeba kompenzovat. Existuje vícero způsobů jak tuto vůli kompenzovat. 18
Gumový pufer Jednou z možných variant je použití gumového pufru. Pufer je schopný se doformovat a vytvarovat se podle tvaru zamykacího čepu. Zamykací čep je tak pevně uchycen a nedochází k takzvanému rachtání neboli nežádoucím zvukům, které vzniká, je-li mezi zamykacím čepem a drážkou vůle. Obr. 12 - Varianta řešení - gumový pufer Mezi hlavní výhodu tohoto řešení patří bezesporu jeho nízké náklady. Ať už to jsou náklady na počet dílů, které se v sestavě díky této funkci nachází, tak jsou s tím spojeny i náklady na montáž a logistiku. Také nelze opomenout výhodu v podobě menších zástavbový rozměrů. Každé řešení má také své nevýhody a mezi ty lze řadit rozdílné vlastnosti materiálu v nízkých teplotách. Zákazníci v automotive požadují, aby vlastnosti a výkonové parametry byly ve všech provozních podmínkách stejné. Také dochází k výraznému opotřebování pryže a tím se ztrácí stěžejní funkce, kterou je vymezování vůle. Další nevýhodou tohoto řešení je to, že pufr zvětšuje zamykací sílu tím, že zamykací čep musí přemáhat při zamykání jeho plasticitu. Posuvný klín Další variantou, jak kompenzovat vznikající vůli mezi zamykacím čepem a drážkou západky je použít takzvaný posuvný klín. Jde o klín, který se pohybuje nezávisle na pohybu rohatky a západky. Tento klín se se posouvá proti pohybu rohatky. V uzamčené poloze dojde k vymezení vůle. Obr. 13 - Varianta řešení -posuvný klín 19
Výhody tohoto řešení odstraňují nevýhody předchozího řešení, jimiž byly rozdílené mechanické vlastnosti v různých teplotách a výdrž zámku. Bohužel odstranění nevýhod předchozího řešení s sebou přineslo nevýhody nové. A mezi ně patří. Zvýšení počtu dílů minimálně jde o dva plastové a dvě pružiny, jedna, která bude tlačit adaptér proti pohybu rohatky a druhá, která bude zamezovat adaptéru vrátit se do původní polohy. Zvýšením počtu dílů se také zvýší náklady na montáž, jelikož bude potřeba o několik montážních kroků víc a také vzrostou náklady na logistiku. Vymezování vlastní konturou zámku Toto řešení využívá k vymezování vůle vlastní, většinou plastovou, konturu. Rohatka v zamknuté poloze je natočena do lehce záporného úhlu a tlačí tak uzamykací čep do kontury zámku. Toto řešení vymezování vůli má podobné výhody jako řešení s pufrem. S tím rozdílem že zde pufer není, takže se toto řešení stává ještě výhodnější, jelikož odpadnou náklady na pufer a také náklady na montáž pufru a s ním spojené i logistické náklady. Jako hlavní nevýhodu tohoto řešení vidím v životnosti tohoto řešení. Jak již bylo na začátku zmíněno, vlivem používání se uzamykací čep opotřebovává a dochází tak ke snižování jeho průměru, čili je potřeba aby imobilizační funkce neustále tuto vůli vymezovala, kdežto toto řešení již další vůli nevymezuje, jelikož je kontura nepohyblivá. 20
1.3 ZODNOCENÍ STÁVAJÍCÍHO ŘEŠENÍ V následujících několika podkapitolách bude provedeno zhodnocení stávající varianty z několika možných hledisek. Hlediska byla vybrána ke vztahu k technickoekonomickému hodnocení stávající konstrukční varianty a komfortu používání zámku. Účelem zhodnocení bude uvést slabé stránky dosavadního konstrukčního řešení. Provedení zhodnocení povede ke zjištění nedostatků, které budou odstraněny v novém konceptu. 1.3.1 Z HLEDISKA KONSTRUKCE Jednou z hlavních nevýhod tohoto řešení je příliš vysoký počet dílů. Tato nevýhoda se projeví z hlediska vyšších nákladů na jednotlivou sestavu. Náklady nejsou pouze za jednotlivý díl, jde zde také o náklady za montáž a logistiku. Další příčinou plynoucí z této nevýhody je složitější toleranční řetězec a tudíž je zde riziko kolize. Jinak se jedná o funkční sériově vyráběnou sestavu. 1.3.2 Z HLEDISKA MONTÁŽE A SÉRIOVÉ VÝROBY Jak již bylo zmíněno v předchozím odstavci, vyšší počet dílů má přímí vztah k montáži, která je u tohoto zámku poměrně složitá. Vyšší počet dílů v sestavě vyžaduje delší montážní linku, což ve výsledku nepříznivě ovlivňuje cenu zámku. 1.3.3 Z HLEDISKA ODEMYKÁNÍ A ZAMYKÁNÍ Komfort odemykání případně zamykání se zde nejčastěji hodnotí z hlediska velikosti odemykací a zamykací síly. Čili je důležité, aby tyto dvě síly byly v zadaném silovém intervalu a dosahovaly co možná nejnižších hodnot. 21
2 DEFINICE PARAMETRŮ Průměr strikeru 8mm Minimální ukazatel zdvihu 15mm Hmotnost celé zástavby s ovládací jednotkou Hmotnost celé soustavy 450g Vyrovnávání tolerance v zadní stěně opěradla Vyrovnávání tolerance Min. +/- 4mm 2.1.1 PEVNOSTNÍ POŽADAVKY Požadavky na zatížení tahem F X = 20kN F Y = 5kN Otevírací síla na odemčení zámku Uvolňovací síla musí být menší než 50 N. Zamykací síly Uzavírací síla musí dle požadavků být menší než 50 N. 2.1.2 POŽADAVKY ŽIVOTNOSTNÍ 5000 cyklů 2.1.3 KOROZNÍ POŽADAVKY Test korozní odolnosti se provádí solným sprejem dle normy ISO 9227 a JIS 2371 22
3 BENCHMARKING Před vývojem každého produktu je vhodné provést takzvaný BENCHMARKING, neboli porovnání konstrukčních variant a řešení. Tato etapa vývoje slouží ke zjištění konstrukčních variant konkurence. Definice: Benchmarking je nepřetržitý a systematický proces porovnávání a měření produktů, procesů a metod vlastní organizace s těmi, kdo byli uznáni jako vhodní pro toto měření, za účelem definovat cíle zlepšování vlastních aktivit. Objektem benchmarkingu může být prakticky cokoliv výrobky, služby, procesy, postupy, apod. Význam benchmarkingu Přispívá k lepšímu pochopení vlastních aktivit i aktivit partnerů Umožňuje snadnější generování nových nápadů Vede k eliminaci neefektivní činnosti Je prostředkem pro motivaci vlastních zaměstnanců ke zlepšování Pomáhá mnohem lépe chápat požadavky zákazníků Metodika benchmarkingu PLÁNOVÁNÍ o Identifikace objektu benchmarkingu o Identifikace partnera pro porovnávání o Výběr metody sběru dat o Sběr dat ANALÝZA o Vyhodnocování dat o Definování budoucí úrovně vlastní výkonosti INTEGRACE o Komunikace výsledků o Stanovení cílů zlepšování Realizace o Plánování projektu zlepšování o Realizace projektu zlepšování a monitorování výsledků o Rekalibrace úrovně výkonnosti 23
Obr. 14 - Benchmarking zámků Benchmarking byl proveden za účelem pochopení principů uzamykání a odemykání zámku a také za účelem zjištění principu vymezování vůle. Z provedeného šetření vyplívá, že všechny zámky shodně používají pro uzamčení strikeru princip rohatky a západky. Naopak se liší ve způsobu vymezování vůle. Tento faktor nejvíce ovlivňuje následný počet dílů v sestavě a tudíž celkovou hmotnost. Nejnižší počet dílů má zámek zákazníka Volkswagen, je to způsobeno tím, že vymezování vůle zde dochází vlastní konturou zámku. Tento princip byl již popsán v předchozí kapitole. Naopak největší počet dílů má zámek pro zákazníka Audi, vymezování vůle je zde řešeno podobně jako na zámku, ze kterého vycházím a který je popsán v 1. kapitole. 24
4 VARIANTY ŘEŠENÍ Na základě představení požadavků na zámek, znalostí stávajícího řešení a provedeného benchmarkingu byly vytvořeny 3 koncepty. Základem každého zámku je rohatka a západka. Koncepty se však liší způsobem vymezování vůle. Jednotlivé způsoby vymezování vůle byly detailně popsány v podkapitole 1.2.2. Vzhledem k jejich nedostatkům je potřeba přijít s novým řešením. 4.1 VARIANTA A K uzamknutí dojde v okamžiku, když západka (2) zapadne do rohatky (1). Vymezování vůle zajistí pojistná páka (3), jenž je uložena na stejném nýtu jako rohatka. Na pojistnou páku (3) působí lineárně posuvný klín (4), jenž se snaží páku pootočit proti pohybu rohatky. Tak by došlo k vymezení vůle, zamykací čep (5) by byl sevřen mezi rohatkou a pákou. Rohatka, západka a páka by byly uloženy na nýtu a ten by byl přinýtován k základnímu plechu. Lineární klín by spolu s pružinou byly uloženy v domku. Obr. 15 - Varianta A Tato koncept splňuje podmínku na snížení počtu dílu v sestavě, avšak jeho hlavní nevýhoda by byla splnění pevnostních podmínek. Vlivem působení imobilizační síly na páku by se tato síla dále přenášela na posuvný klín, vzhledem k tomu, že páka má v místě dotyku s klínem kruhovou konturu, síla by tak byla přenášena velmi malou plochou a tudíž by na klín působilo bodově velmi vysoké napětí, což by způsobilo deformaci klínu. 25
4.2 VARIANTA B Stejně jako u varianty A, tak i tato varianta pro uzamčení využívá systém rohatky (2) a západky (2). Vymezování vůle v tomto případě zajišťuje pojistná páka (4), která je uložena tentokrát na nýtu západky. Páka je otáčena působením pružiny (6). Zamykací čep (5) se opět sevře mezi páku a rohatku. Rohatka, západka, pojistná páka i pružina budou připevněny pomocí nýtů k základnímu plechu a následně zakrytovány domkem. Obr. 16 - Varianta B Tato varianta podobně jako předchozí splňuje požadavek na snížení počtu dílů. Avšak při detailnější analýze tohoto řešení, se prokázalo, že z hlediska přenosu sil, především síly imobilizační, tato varianta ne příliš vhodná. 26
4.3 VARIANTA C Třetí koncept pracuje taktéž na principu rohatky a západky. A pro vymezení vůle je zde pojistná rohatka a jistící páka. Systém bude fungovat tak, že když bude hlavní rohatka v otevřené poloze tak bude zároveň i pojistná rohatka v otevřené poloze. Západka i jistící páka budou pootočeny. Pootočení zajistí kontura rohatky. Při uzamykání se zamykací čep bude nacházet v drážkách rohatek. Obr. 17 - Varianta C Jakmile západka zapadne do rohatky tak se začne vlivem působení zkrutné pružiny otáčet pojistná páka, která svojí zamykací konturou uvede do překmitu pojistnou rohatku a tím dojde k vymezení vůle. 27
4.4 VYHODNOCENÍ KONCEPTŮ A VÝBĚR VARIANTY Ohodnocení a výběr konstrukční varianty, ve kterých se jednotlivé koncepty hodnotily. Jednotlivá hodnocení byla diskutována s konzultantem a hodnocení vychází ze zkušeností a dostupných interních materiálů. Obr. 18 - Výběr konstrukční varianty Nejvyšší ohodnocení získala koncepční varianta C. Bude tedy dále rozpracována. 28
5 NOVÝ KONCEPT SEDAČKOVÉHO ZÁMKU 5.1 BLACK BOX Před konstruováním je nezbytně nutné se na vlastní konstrukční problém zaměřit jako na technický systém (TS). TS je reprezentován jako černá skříňka neboli black box, jenž má z jedné strany vstupní parametry a z druhé strany výstupní parametry. V procesu mezi vstupy a výstupy na TS působí aktivní exogenní činitelé, kteří přeměňují vstupy na výstupy. V našem případě jsou těmi vstupy člověk ( Me), technické systémy ( TS) a aktivní okolí ( AEnv). Cílem našeho snažení je tedy navrhnou takový koncept, jenž odolá všem vnějším činitelům a zároveň bude plnit svoji funkci ve všech předepsaných stavech. Me Osoba může manipulovat se zámkem ve smyslu odemykání případně servisu TS Tyto systémy zahrnují použité materiály a technologie na zpracování AEnv Tato část zahrnuje vlivy prostředí, ve kterých se daný produkt vyskytuje (vlhkost, teplota,.) Obr. 19 - Schéma technického systému Základní požadavky na TS byly popsány v kapitole č.2. 29
5.2 ZÁKLADNÍ POŽADAVKY Nový koncept musí splňovat požadavky, jenž vyplívají ze zadání. Jsou jimi: Funkční sedačkový zámek s imobilizační funkcí Pevnost rohatky ve směru osy x Pevnost rohatky ve směru osy y Otevírací síla Zamykací síla Počet cyklů Funkční rozmezí teplot 5.3 NÁVRH KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ Návrh byl vytvořen v softwaru CATIA V5 (Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application ). Jedná se o integrovaný systém počítačového návrhu, konstruování a výroby (CAD/CAM/CAE), vyvinutý francouzskou firmou Dassault Systémes. Je nejvíce používaný v leteckém a automobilovém průmyslu. V této kapitole bude rozpracován koncept č.3. Cílem této práce je zpracovat konstrukční návrh do té fáze, aby dle něj bylo možné vyrobit funkční sestavu splňující zadané požadavky. Obsah konstrukčního návrhu: Funkční analýza Konstrukce sestavy Výpočty pružin MKP analýzy Toleranční výpočty Kusovník 30
5.3.1 POPIS A FUKNCE Obr. 20 - Rozpracovaný nový koncept zámku Nový návrh obsahuje prvky, jenž byly převzaty ze stávajícího řešení, jsou jimi například uzamykací kontura rohatky a uzamykací kontura západky. Pro náš návrh není nutné vymýšlet konturu novou, jelikož byla navržena na základě dlouhodobých znalostí a zkušeností. Avšak i na těchto dvou dílech bylo nutno provést úpravy, tak aby vyhovovaly novému konceptu. Taktéž byly převzaty některé prvky ze základního plechu, především umístění prolisů a i část kontury. Dále byl převzaty pozice děr pro nýty, aby bylo možné zámek umístit do původního zástavbového prostoru. Nutnou změnou musely projít nýty, jelikož oproti původnímu řešení jsou na každém nýtu uloženy dva prvky. Čili bylo potřeba je prodloužit a přidat jedno osazení na víc. Zcela novým dílem je zde pojistná rohatka, která má dvě základní funkční plochy. První funkční plochou je drážka, ve která je uzamknut čep. Druhou funkční plochou je spodní kontura rohatky, jenž se při uzamykání dostane do kontaktu s jistící pákou, která ji dostane do překmitu. Rohatka se skládá z kovového výlisku a plastového obstřiku. Plastový obstřik je, zde použit ke snížení hluku v okamžicích, kdy se po sobě budou obě rohatky třít. Dalším novým dílem je pojistná páka. Hlavní funkcí pojistné páky je uvést pojistnou rohatku do překmitu, tím dojde k vymezení vůle. Páka je ovládána předepnutou zkrutnou pružinou, která na pádle vytvoří potřebný moment. 31
Obr. 21 - Rozpad sestavy Nový koncept obsahuje celkem pět pružin (pružina rohatky, pružina západky, pružina pojistné páky, pružina otevírací páky, pružina indikátoru). Tento typ pružin je v tomto typu zámku nejrozšířenější, jejich hlavní výhodou je úspora místa v zástavbovém prostoru zámku. Pružiny přímo ovlivňují otevírací a uzavírací sílu. Jelikož došlo ke změně tvaru rohatky, západky a i principu imobilizačního systému musel nutnou změnou projít i domek (Housing), ve kterém jsou všechny tyto díly uloženy. Jedná se o tvarově nejsložitější díl celé sestavy. Ani otevírací páka není zcela totožná s původním řešením. Změnilo se zde otevírací rameno, tak aby vyhovovalo ramenu západky. Oproti původnímu stavu otevírací páky, kde na otevíracím rameni byl čep a na západce byla drážka, je u nové varianty čep na západce a drážka na otevírací páce. 5.3.2 NÁVRH PRUŽIN Pružiny jsou základním funkčním prvkem celého návrhu zámku. Mají přímí vliv na velikost otevírací a zavírací síly, jejichž velikost je jedním z parametrů požadavků. To je jeden z důvodů, proč jim je věnována vyšší pozornost. V této kapitole budou uvedeny návrhy a výpočty pružin západky, rohatky, pojistné páky, otevírací páky. Následně navržené pružiny budou kontrolovány pro ověření funkčnosti a splnění zadaných parametrů. Jimiž jsou požadovaný počet cyklů a teplotní rozsah. Počet cyklů se většinou v praxi uvažuje dvojnásobný čili minimálně 10000 cyklů. Výpočet byl proveden v programu HEXAGON. 32
Pružina rohatky Pružina rohatky je stejně jako další pružiny velice důležitou součástí, na rozdíl od pružiny západky má pružina rohatky vliv kromě otevírací síly i na sílu uzavírací. Tab. 1 - Tabulka parametrů pružiny rohatky Obr. 22 - Výkres pružiny rohatky Pružina rohatky byla navržena s parametry v tabulce xy. Dále je nezbytné pružinu zkontrolovat na takzvanou únavovou pevnost, k tomu nám pomůže High-Goodmanův diagram. Z něhož jsme schopni určit, zda pružina vyhovuje či nikoliv. Diagram byl sestrojen pro tři různé stavy. První stav je, kdy je pružina počítána na teplotu 20 C a pak jsou dva mezní stavy pro teploty -30 C a 100 C. Na obrázku níže je uveden pouze stav pro teplotu 20 C zbylé dva stavy jsou uvedeny v příloze. Obr. 23 - High-Goodmanův diagram pro danou pružin 33
Pružina západky Funkce této pružiny spočívá ve vyvození opačného momentu, než má pružina rohatky. Moment musí být dostatečně velký, aby v uzamčeném stavu nedošlo v případě nárazu k otevření zámku. Z tohoto důvodu se dělají výpočty na přetížení 30G, které musí zámek vydržet, aniž by došlo k jeho otevření. Výpočet na 30G bude popsán dále v textu. Pružina nesmí být však příliš tuhá, aby nedošlo k překročení požadavku na velikost otevírací síly. Tab. 2 - Tabulka parametrů pružiny západky S vypočtenými parametry proběhl úspěšně zároveň i výpočet na přetížení 30G. Pružinu je opět potřeba zkontrolovat z hlediska únavové pevnosti a pro všechny tří teplotní stavy. Obr. 24 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu 34
Pružina pojistné páky Pružina pojistné páky je taktéž jako předchozí dvě zkrutná. Tato pružina má za úkol vyvodit na pojistné páce moment, jenž uvede pojistnou rohatku do překmitu, a bude tak kompenzovat imobilizační sílu. Kinematické schéma bude uvedeno v následující kapitole. Tab. 3 - Tabulka parametrů pružiny pojistné páky Pružina byla taktéž zkontrolována z hlediska únavové pevnosti a taktéž pro všechny tři teplotní stavy. Obr. 25 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu 35
Pružina otevírací páky Pružina otevírací páky je opět zkrutná pružina, která je umístěna na ose rotace otevírací páky a snaží se páku vrátit do uzavřené polohy. Díky jejímu předepnutí a momentu, jenž vytváří na otevírací páce, pak skrz rameno otevírací páky zvyšuje otevírací moment na západce, který je zde nutný, aby při případném přetížení 30 G, k němuž může dojít při autonehodě, nedošlo k otevření zámku. Tab. 4 - Tabulka parametrů pružiny otevírací páky Obr. 26 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu 36
Pružina indikátoru Pružina indikátoru, jejíž jedno ramínko je spojeno s otevírací pákou a druhým ramínkem s indikátorem, je uložena na technologickém čepu v domku. Při otevírání je na jednom ramínku vytvářen moment a druhé ramínko tak vysouvá indikátor z domku. Tab. 5 - Tabulka parametrů pružiny indikátoru Obr. 27 - High-Goodmanův diagram pro danou pružinu 37
5.3.3 VÝPOČET OTEVÍRACÍ SÍLY V následující kapitole budou provedeny výpočty, jenž ověří funkčnost celého konceptu. Prvním hlavním výpočtem bude výpočet otevírací síly, kterou je potřeba vynaložit k otevření zámku. Výchozími parametry výpočtu, které známe, jsou: momenty jednotlivých pružin, zdvihy a rozměry jednotlivých dílů. Na obrázku XY vidíme základní kinematické schéma s rozkladem jednotlivých sil. Obr. 29 - Silový rozklad pro výpočet otevírací síly Obr. 28 - Silový rozklad pro výpočet otevírací síly 38
V průběhu otevírání se ale některé parametry mění jako například natočení ramínka pružiny, což způsobí, že daná pružina vyvodí větší moment. Nebo jiné úhlové parametry, které mají vliv na výslednou sílu. Proto byla otevírací síla spočítána v rozmezí 1 až 53 po 10. Vychází se z požadavků, kde maximální úhlové natočení otevírací páky je 53 a k otevření zámku musí dojít v úhlovém natočení 33. Tabulka parametrů byla zvolena tak, aby bylo možné zjistit, jakou hodnotu má otevírací síla těsně před odemknutím, těsně po odemknutí a v maximálním natočení. V popisovaném výpočtu budou uvažovány parametry, jenž odpovídají úhlovému natočení 32, čili těsně před odemknutím. Tab. 7 - Tabulka rozměrových parametrů Tab. 6- Tabulka koeficientů tření Tab. 8- Tabulka parametrů pružin 39
Výpočet sil od momentu pružiny rohatky = = = 8,67, Výpočet + = - = 8,67 0,15=1,30 síly od momentu pružiny rohatky. Výpočet třecí síly v místě dotyku. Silový rozklad na západce 2 3 = + 4 =1,3 21,6=28,09 77 Moment od třecí síly T p1. 2 = 2 8 + : ; < =191,3+2,14 14,696 =222,75 Nmm Moment pružiny v daném úhlovém natočení. 2? =2?8 +@ A? < 3 2? =172+2,96 11,3=205,5 77 Moment od pružiny pojistné páky. 2 = B C - Moment vyvolaný třením na nýt západky. B = DB 3 3 E +B F B E = @G<H J @G<K =3 B F = <LMH + J <LMK = 16,45 Výpočet reakcí. 40
B = N3 3 +16,45 3 =16,72 2 = 16,45 7 0,15=11,5 77 2 = 2 3 + 2 +2? + 2 2 =28,09+222,75+205,5+11,5= 467,83 77 J = O = QR,S PO =11,40 Výpočet síly F g1. + J = J - =11,4 0,15=1,71 Třecí síla, normálová síla k síle F g1. Zvyšuje hodnotu momentu, jenž je nutný při otevírání překonat. 2 3 =+ J 4 3 = 1,71 9,2=15,72 77 Moment vyvozený silou T g1 na západce. 2 Q =2 + 2 3 =467,83+15,72= 483,56 77 Celkový moment na západce. ` J = U = PO S,Q =11,79 Nmm Síla od celkového momentu, jenž se přenese na otevírací páku. + J = J - = 11,79 0,15=1,76 41
Silový rozklad na otevírací páce 2 S = J 4 J + + J 4 J3 +2 J + 8W 4 J 2 S =11,79 17,05+1,76 1,98+148,08+8,8 40,46=708,9 77 Celkový moment na otevírací páce. X = Y = R\S, =31,8 Z[, Otevírací síla. Otevírací síla těsně před odemknutím (32 ) je F o = 36,7 [N]. 42
Z grafu, jenž znázorňuje otevírací sílu, je možné vyčíst, že od počátku otevíraní zámku pomocí otevírací páky hodnota narůstá. To je dáno tím, že v průběhu otevírání jsou jednotlivé pružiny dále předepínány což zvětšuje jejich moment. Dále je z grafu patrné, že téměř ihned za hodnotou 32 (těsně před odemknutím), dojde k odemknutí zámku a otevírací síla začne klesat. To je způsobeno tím, že na západku přestane působit síla F p1,jenž je vyvozena od momentu pružiny západky. Od hodnoty úhlu 33,5 natočení páky síla, již jen nepatrně klesá až do maximálního otevření 53. Oranžová křivka v grafu odpovídá nominálním hodnotám momentům jednotlivých pružin. V průběhu výroby však všechny pružiny nesou vyrobeny zcela identicky, a proto je potřeba jejich vypočtený moment uvažovat s maximální a minimální tolerancí. Jak je vidět z grafu tak tato tolerance významně ovlivňuje velikost výsledné otevírací síly, a proto je potřeba v každém výpočtu tyto tolerance uvažovat. Průběh otevírací síly Otevírací síla [N] 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 1 10 20 32 33,5 53 Úhlové natočení otevírací páky [deg] Nominální stav Maximální stav Minimální stav Obr. 30 - Graf průběhu otevírací síly. 43
5.3.4 VÝPOČET ZAVÍRACÍ SÍLY Dalším analytickým výpočtem, jenž je nutný při návrhu provést je výpočet zavírací síly. Oproti výpočtu otevírací síly nebude kinematické schéma tolik náročné. Výchozím parametrem pro tento výpočet byla hodnota zdvihu zamykacího čepu h = 15 mm. Tato hodnota odpovídá vzdálenosti, kterou čep urazí od prvního dotyku s rohatkou až do úplného uzamčení. Nejprve bylo vytvořeno 8 výkresů zamykacích sekvencí. První výkres znázorňoval sekvenci, kde hodnota zdvihu byla h = 0 mm. V každé následující sekvenci byla hodnota zdvihu vždy o 2 mm vyšší. Poslední sekvence znázorňovala uzamčený stav. V průběhu uzamykání se měnily působiště sil, směry sil a také jejich velikost. Dále se měnily některé vzdálenosti, jenž byly závislé na úhlu natočení. Silový rozklad Následující výpočet bude odpovídat zavírací síle při zdvihu H = 7mm. Na obrázku 31 je kinematické schéma, které odpovídá hodnotě tohoto zdvihu. Obr. 31 - Výpočtové schéma pro výpočet zavírací síly 44
Postup výpočtu 2? =B ] Výpočet reakce R 4 od síly pružiny jenž vytváří tažná pružina. B = 2? ] B = 207,5 18,9 = 10,97 3 = B cos (`)+ 2 ] 3 = 10,97 cos(30 )+ 179,7 18,3 =19,32 Výsledná síla F 2 je součet sil R 4 a síly od pružiny západky. Síla působí v místě dotyku rohatky a západky. 3; = - 3 3; = 0,3 19,32 =5,79 Normálová síla F 2 směřuje do středu otáčení rohatky a tak na rohatce nevytváří žádný moment. Důležitá je pro nás její tečná složka, která působí proti směru otáčení a zvyšuje zavírací sílu. 2 c + 3; ] S ] + ] Q - =0 Momentová podmínka na rohatce. 45
Vyjádření síly F 1 = 2 c+ 3; ] (] +] S -) = 278,5+5,79 18,9 = 22,27 (28,25+45,78 0,3) d = cos(k)= 20,64 Zavírací síla. Výpočet byl proveden pro celý zdvih zamykacího čepu. Nejprve byla vypočtena nominální hodnota zavírací síly. Následně pak i hodnoty mezní stejně jako při výpočtu otevírací síly v předchozí podkapitole. Průběh zavírací síly Zavírací síla [N] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,0 1,0 3,0 5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0 Zdvih zamykacího čepu [mm] Nominální hodnota Minimální hodnota Maximální hodnota Obr. 32 - Graf průběhu zavírací síly 46
5.3.5 VÝPOČET 30G V následující kapitole bude proveden výpočet 30G. Tento výpočet je nezbytně nutný pro ověření pružin, aby bylo možné je prohlásit za plně vyhovující. Výpočet 30G není nutný, zákon nám ho nepředepisuje. Avšak některé automobilky ho vyžadují, a proto ho provedeme. V daném případě je tento výpočet důležitý pro pružinu západky. Pružina tedy musí západku udržet v poloze zamčeno i v případě, že dojde k přetížení 30G. Silový rozklad Obr. 33 - Výpočtové schéma pro výpočet 30G 7 X = 7,34e 7 d =9,4 e C X = 17,1 77 C d =4,93 77 g =9,81 [mm] fx = 7 X e 30 1000 fx = 7,34 9,81 30 1000 =2,16 47
fd = 7 d e 30 1000 fd = 9,4 9,81 30 1000 2 fx = fx C X = 2,77 2 fx = 2,16 17,1=36,9 77 2 fd = fd C d 2 fd = fd C d = 2,77 4,93= 13,65 77 2 c = 2 fx +2 fd 2 c = 36,9+13,65=50,55 77 2 gc = 150 77 2 gc > 2 c Ze splněné podmínky vyplývá, že setrvačné účinky při přetížení 30G nepřemůžou pružinu západky. I v důsledku působení tohoto přetížení zůstane rohatka zamčená. 48
5.3.6 FUNKČNÍ ANALÝZA ZAMYKACÍ SEKVECE Pro názorné vysvětlení funkce nového konceptu bude zamykání rozděleno do několika sekvencí. 1. Výchozí stav. Zámek se nachází v otevřené pozici. Rohatka je spolu s pojistnou rohatkou natočena do otevřené polohy, a to díky předepnuté pružině rohatky, která vytváří na rohatce otevírací moment. Na západce je zkrutnou pružinou vytvářen opačný moment uzavírací moment. Díky tomuto momentu západka neustále doléhá na konturu rohatky. Západka je na nýtu uložena společně s pojistnou pákou. Pojistná páka má také svojí pružina, která taktéž vytváří uzavírací moment, vzhledem k tomu že v této sekvenci pojistná páka působí na západku, tak se zavírací moment v tomto úseku sčítá. Otevírací páka se taktéž nachází v otevřeném stavu a indikátor indikuje otevřený stav. Obr. 34 - Zamykací sekvence1 2. V následujícím kroku dojde k prvnímu kontaktu mezi zamykacím čepem a konturou rohatky. Zamykací čep zapadá do drážky rohatky. Díky posuvu zamykacího čepu ve směru osy Z dochází k natáčení rohatky a postupnému zamykání zámku. Obr. 35 - Zamykací sekvence 2 49
3. V této sekvenci výběžek západky zapadá do rohatky. Dále dochází i k otáčení pojistné páky, jež je na stejném otočném nýtu. K otáčení dojde vlivem působení předepnuté zkrutné pružiny. Obr. 36 - Zamykací sekvence 3 4. V této fázi západka stále zapadá do rohatky. Pojistná páka najíždí svojí zamykací konturou na konturu pojistné rohatky. V důsledku otáčení západky dochází k natočení zavírací páky do zavřené polohy. Také dochází k postupnému zasouvání indikátoru pomocí pružiny indikátoru, jež indikoval otevřený stav. Obr. 37 - Zamykací sekvence 4 5. V poslední fázi západka dosáhne koncové polohy a plně tak přilehne k rohatce. Pojistná páka svojí zamykací konturou uvede pojistnou rohatku do překmitu a ta se tak opře o zamykací čep a tím dojde k vymezení vůle, jež byla popsána v předchozí kapitole Obr. 38 - Zamykací sekvence 5 50
5.3.7 FUNKČNÍ ANALÝZA ODEMYKACÍ SEKVENCE 1. Výchozí stav zavřené polohy Obr. 39 - Odemykací sekvence 1 2. Vlivem otáčení zavírací páky dochází k postupnému natáčení západky, která odléhá od rohatky a zároveň svým výstupkem odtlačuje pojistnou páku, která zároveň svojí konturou odlehne od kontury pojistné rohatky. Indikátor se vysouvá a indikuje otevřený stav. Obr. 40 - Odemykací sekvence 2 3. Západka se nachází těsně před otevřením. Pojistná páka již zcela odlehla od pojistné rohatky a nachází se již v dostatečné vzdálenosti od ní. Indikátor se nachází v maximálním zdvihu otevření. Obr. 41 - Odemykací sekvence 3 51
4. V následujícím stavu dochází už pouze k otevírání rohatky a pojistné rohatky v jejichž drážkách se nachází zamykací čep. Rohatka je otevřena pomocí předepnuté zkrutné pružiny. Obr. 42 - Odemykací sekvence 4 52
5.3.8 FEM ANALÝZA Aby bylo možné ověřit, zda nový koncept sedačkového zámku splňuje pevnostní podmínky vyplívající ze zadání je nutné, provést několik pevnostních analýz. Analýzy byly provedeny metodou konečných prvků (FEM - The finite element method). Pevnostní analýzy byly provedeny v softwaru NX 11. Pevnostní výpočty byly především zaměřeny na výpočet rohatky. Jde zde o výpočty, kdy je zámek v zamčené poloze a zamykací čep působí nejprve silou 17kN ve směru osy z a u druhého výpočtu působí ve směru osy x. Kromě rohatky bude také prověřena západka a její deformace. Kromě rohatky a západky je také nutné zkontrolovat základní plech a to především u druhého výpočtu, kdy zamykací čep bude působit ve směru osy y. Každá analýza bude obsahovat vzniklé napětí na součásti a její deformaci. Při výpočtech byly materiály součástí uvažovány jako nelineární. Do výpočtu by zahrnuty pouze díly mající přímo vliv na pevnost. Například v případě rohatky a západky byly do výpočtu zahrnuty pouze jejich plechové výlisky. Pro případ výpočtu byly také upraveny nýty a to z důvodu, aby mezi jednotlivými díly byla jen minimální mezera, což následně pomohlo při nastavování počátečních podmínek před výpočtem. Obr. 43 - Zjednodušený výpočtový model 53
FEM analýza sestavy ve směru osy z Vstupní data Do výpočtu byly zahrnuty tyto díly: Rohatka, západka, základní plech, nýt rohatky, nýt západky, zamykací čep Pro nahrazení jednotlivých dílů 3D elementy byla použita tetrahedralová síť. Velikost jednotlivý elementů byla přizpůsobena daným součástem. V místech, kde byla očekávána kritická hodnota napětí, byla tato síť ještě více zjemněna. Obr. 44 - Tabulka parametrů materiálů Obr. 45 - Zasíťovaný model 54
Počáteční podmínky Sestava byla uchycena pomocí rigidové ružice, jenž je umístěna ve středech nýtů a zamezuje pohyb ve všech osách. Zamykacímu čepu je povolen posun pouze ve směru osy z Nastavení podmínek typu surface surface contact, aby nedocházelo k nereálným kolizím mezi jednotlivými díly. Zatížení silou Fz = 17kN Obr. 46 - Okrajové podmínky pro řešení 55
Napěťová analýza : Von- Mises Obr. 47 - Výsledky napěťové analýzy - sestava Z napěťové analýzy na obrázku č. 47 je vidět, že maximální napětí v sestavě je 5861MPa. Toto napětí je pravděpodobně způsobené chybou, jež vznikla při tvorbě sítě. Reálné kritické napětí by vzhledem k charakteru zatěžování a tvarům součásti mělo vzniknout v drážce rohatky. Na obrázku č.48 je zobrazena pouze rohatka a stupnice napětí je zde nastavena na mez pevnosti rohatky. Z řezu, jež je na obrázku č.49 vidíme, že toto napětí je pouze povrchové a tudíž by bylo možné ho odstranit například povrchovou úpravou. Obr. 48 - Výsledky napěťové analýzy - rohatka Obr. 49 - Výsledky napěťové analýzy - řez rohatkou 56
Deformační analýza Obr. 50 - Výsledky deformační analýzy - sestava Obr. 51 - Výsledky deformační analýzy - rohatka Maximální deformace na rohatce je přibližně 0.6 mm. 57
FEM analýza ve směru osy x Počáteční podmínky Počáteční podmínky jsou takřka totožné s počátečními podmínkami předchozího výpočtu. Sestava je opět uchycena pomocí rigidové ružice, jenž je umístěna ve středech nýtů a zamezuje pohyb ve všech osách. Zamykacímu čepu je povolen posuv pouze ve směru osy X Nastavení podmínek typu surface surface contact Zatížení silou Fx = 5kN Obr. 52 - Okrajové podmínky pro výpočet 58
Napěťová analýza Obr. 53 - Výsledky napěťové analýzy - sestava Z této napěťové analýzy vyplívá, že maximální napětí v sestavě je 5511 MPa. Toto napětí je stejně jako v předchozí úloze způsobené chybou sítě. Stupnice je nastavena na mez pevnosti rohatky opět je z obrázků vidět, že se jedná pouze o povrchové napětí. Obr. 54 - Výsledky napěťové analýzy - rohatka 59
Deformační analýza Obr. 55 - Výsledky deformační analýzy - sestava Obr. 56 - Výsledky deformační analýzy - rohatka Maximální deformace je 1.75mm. 60
5.3.9 TOLERANČNÍ ANALÝZY Toleranční analýzy nám pomáhají správně navrhnout rozměrové a geometrické tolerance, tak aby byla zaručena funkčnost celé sestavy. Některé námi kótované rozměry se navrhují s určitým tolerančním polem, jelikož při výrobě součástí vznikají výrobní nepřesnosti. Tyto nepřesnosti jsou způsobeny například danou technologií výroby či například lidským faktorem. Dále je potřeba uvést, že předepisování některých tolerancí, klade zvýšené nároky na výrobu, a proto se tolerují především funkční rozměry. Neopodstatněné tolerované rozměry naopak zvyšují náklady na výrobu dané součásti. Na netolerované rozměry se vztahuje tolerance obecná jenž je uvedena v razítku na výkrese. V této diplomové práci budou uvedeny celkem čtyři toleranční analýzy, které jsou zaměřeny na oblast nýtů a dílů na nich uložených. Analýzy můžeme rozdělit na dva typy a to na analýzu v radiálním směru, jenž je kolmá na osu rotace nýtu a na analýzu axiální, jenž je vodorovná s osou rotace. Pro dané toleranční analýzy byl použit software MITCalc. Toleranční analýzy v radiálním směru Toleranční analýza v oblasti nýtu rohatky Průměry nýtu a jejich jednotlivé tolerance jsou uvedeny na obrázku 57. Dále jsou zde ještě průměry rohatky a pojistné rohatky. Průměry děr rohatky a pojistné rohatky jsou stejné, a tak je zde uveden jen jeden rozměr. V tabulce 9 vidíme výpočet a výslednou minimální vůli v uložení. Obr. 57 - Schéma výpočtů v radiálním směru v oblasti nýtu rohatky 61 Tab. 9 Tabulka výpočtů v radiálním směru
Toleranční analýza v oblasti nýtu západky Jedná se o totožný výpočet, jako byl ten předchozí. V tabulce 10 jsou uvedeny rozměry a výpočty Obr. 58 - Schéma výpočtů v radiálním směru v oblasti nýtu západky Tab. 10 - Tabulka výpočtů v radiálním směru 62
Toleranční analýzy v axiálním směru Pro tento typ výpočtu byl použit software MITCulc a pro řešení byla využita metoda Monte Carlo, která ve výpočtu zohledňuje pravděpodobnost jednotlivých variant tolerancí. Toleranční výpočet v oblasti nýtu západky Tato toleranční analýza zjišťuje správné nastavení tolerancí jednotlivých dílů. V této toleranční analýze jde o to, aby po nasazení rohatky a pojistné rohatky na osazení nýtu a následném zanýtování k základnímu plechu, zbyla ještě mezi rohatkou a pojistnou rohatkou ve worst case minimální vůle. Obr. 59 - Schéma výpočtů v axiálním směru v oblasti nýtu rohatky Tab. 11 - Tabulka vstupních hodnot a tolerancí Obr. 60 - Toleranční řetězec Tab. 12 - Výsledná jmenovitá vůle 63
Tab. 13 - Výstup toleranční analýzy Z výsledků toleranční analýzy vyplývá, že jmenovitá vůle v axiálním směru je 0,2mm. Nejnižší možná teoretická vůle je -0,15mm, v tomto případě by se jednalo o kolizní stav. Vzhledem k délce tolerančního řetězce a počtu dílů, které do výpočtu vstupují, je v praxi nemožné, že by nastala tato situace, a proto nás především zajímá vypočtená velikost minimální vůle metodou Monte Carlo. Toleranční výpočet v oblasti nýtu západky Tato toleranční analýza byla provedena v oblasti nýtu západky a výpočet je téměř totožný s předchozím výpočtem. Obr. 61- Schéma výpočtů v axiálním směru v oblasti nýtu západky Obr. 62 - Toleranční řetězec 64
Obr. 63 - Tabulka vstupních hodnot a tolerancí Obr. 65 - Výsledná jmenovitá vůle Obr. 64 - Výstup toleranční analýzy Z této toleranční analýzy vyplývá, že jmenovitá vůle byla nastavena na 0,2 mm. Nejnižší možná teoretická vůle je -0,1mm.v Jak již bylo vysvětleno v předchozím výpočtu, jedná se o v praxi nemožný stav. A tak je pro nás spíše směrodatná hodnota vypočtená metodou Monte Carlo. 65
5.4 ZHODNOCENÍ NÁVRHU Tato diplomová práce se zabývá problematikou zadního sedačkového zámku. Cílem této práce bylo nalézt nový koncept vymezování vůle mezi zamykacím čepem a drážkou rohatky. Vývoj tohoto konceptu je stále ještě na začátku a bude potřeba systém jako takový odladit na prototypech a provést některé životnostní zkoušky. Tyto zkoušky probíhají dle vnitrofiremních norem. Dále jsou založeny na legislativních požadavcích a požadavcích zákazníka. Nákladovost se zde posuzuje především s ohledem na počet dílů, jenž sestava obsahuje. V tomto novém konceptu se podařilo snížit počet dílů o jeden. Byť se tato úspora jeví, jako malá v případě hromadné výroby při milionové produkci se jedná o úsporu v rámci desetitisíců eur. Na obrázku 66. jsou vidět nové díly, které přibyly do sestavy oproti původnímu řešení. Obr. 66 - Díly pro nový koncept Oproti původnímu řešení například přibyla pojistná rohatka, jež se skládá z ocelového zálisku vyrobeného z oceli 1.782 (27CrB5) a plastového obstřiku z materiálu PA 6.6. Dalším novým dílem je pojistná páka, která je vyrobena z materiálu 1.0984. Poslední dva díly jsou pružiny vyrobeny z pružinového drátu. Pružina západky je vyrobena z materiálu EN 10270-1-SH a pružina pojistné páky je vyrobena z materiálu EN270-2-FDC. Oproti původnímu řešení došlo ke značnému zjednodušení sestavy, což způsobí zjednodušení montáže celé sestavy a tím i snížení nákladů na montáž sestavy. Přesné ceny jednotlivých dílů nelze uvést, jelikož přesné kalkulace jsou majetkem firmy WITTE Automotive a vztahuje se na ně smlouva o zachování tajemství. Obr. 67 - Výsledné srovnání Z tabulky na obrázku 67 vyplívá, že i přes ušetřený díl je hmotnost celé sestavy nového konceptu vyšší. V rámci této diplomové práce byl navržen pouze hrubý koncept a je zde velký potenciál pro optimalizaci jednotlivých dílů. Čímž by došlo ke snížení hmotnosti sestavy. 66
6 ZÁVĚR Cílem diplomové práce bylo vymyslet nový koncept zadního sedačkového zámku, který bude obsahovat imobilizační funkci. Dalším cílem byla snaha o snížení počtu dílů. Kromě těchto dvou cílů musí nový koncept splňovat silové a pevnostní podmínky, které byly uvedeny v zadání. Na začátku vývoje nového konceptu byly představeny tři možné varianty řešení, z nichž byla vybrána ta nejoptimálnější, která byla následně rozpracována. A postupně analyticky ověřována. Například výpočtem otevírací a zamykací síly. Dalším krokem bylo ověření některých pevnostních požadavků, které byly taktéž splněny. Následovalo vytvoření 2D dokumentace a toleranční výpočty, které měly ověřit správnost navržených geometrických a rozměrových tolerancí. 67
POUŽITÁ LITERATURA LITERATURA [1] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra strojní části 1., Praha, Computer press, 1999 [2] STANĚK, J., NĚMEJC, J. Metodika zpracování a úprava diplomových (bakalářských) prací, Plzeň: ZČU, 2005 [3] LAŠ, V., ZEMČÍK, R. Výpočty konstrukcí metodou konečných prvků, Plzeň : ZČU, 2011 INTERNETOVÉ ZDROJE [4] WITTE-Automotive [online]. 2015 [cit. 2015-03-10]. Dostupné z http://www.witte-automotive.cz/ POUŽITÝ SOFTWARE CATIA V5 Microsoft Office Word 2007 Microsoft Office Excel 2007 MITCulc HEXAGON 68
PŘÍLOHA č. 1 Kusovník nového konceptu zadního sedačkového zámku 69
70
PŘÍLOHA č. 2 High-Goodman diagramy pro mezní teploty 71
PRUŽINA ROHATKY T=-30 C T=110 C 72
PRUŽINA ZÁPADKY T = -30 C T = 110 C 73
PRUŽINA POJISTNÉ PÁKY T = -30 C T = 110 C 74
PRUŽINA OTEVÍRACÍ PÁKY T = -30 C T = 110 C 75
PŘÍLOHA č. 3 Toleranční analýza v oblasti nýtu rohatky 76
77
PŘÍLOHA č. 4 Toleranční analýza v oblasti nýtu západky 78
79