Egyetemi együttműködésben született meg a Schaeffler présgépének koncepciója

ABSZTRAKT A gépkocsik súrlódó tengelykapcsolójának egyik legfontosabb alkatrésze a súrlódótárcsa. A különböző belső kialakítású (különböző szerkezetű) súrlódóbetétek roncsolásos vizsgálatához próbatestek kivágására van szükség. Egy, a próbatestek alapanyagául szolgáló súrlódóbetét előgyártmányok elkészítéséhez szükséges keretes, pneumatikus működtetésű prés fejlesztési folyamatát mutatja be a cikk, amely kitér a méretezés és a szilárdsági ellenőrzés kérdéseire is. A prés a próbatestekhez szükséges súrlódóbetét előgyártmányok készítésén kívül alkalmas a gyártásközi selejtek javítására, azaz utómunkázásra is.

Kulcsszavak: présgép, vizsgálati darabok, súrlódóbetét, utómunka

A szerzőkről:

Pintér Márton András: ELTE, Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet, Duális gépészmérnöki BSc, 4. évf.
Borbély Tibor: ELTE, Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet, egyetemi docens
Biczó Roland: Schaeffler Savaria Kft., okleveles gépészmérnök

Bevezetés

A présgép megtervezése és elkészítése után a következő feladat szálerősítésű kompozit betét mechanikai vizsgálata lesz. A végeselemes szimulációhoz létre kell hozni a kompozit merevségi mátrixát, amihez a kompozitból készített próbatestek mechanikai tulajdonságainak kimérésére van szükség. A vizsgálatokhoz adott orientációba rendezett szálakkal készülő előgyártmányra van szükség, hogy a mechanikai vizsgálatok során egytengelyű feszültségállapot jöjjön létre. Ez a feladat nehezen oldható meg a jelenleg gyártásban lévő présgéppel, mivel a két szerszámfél között nincs elég szabad hely, és az üzemi hőmérséklete is magas. Ezért volt szükség a különböző szövési mintájú, száraz súrlódó szálerősítésű kompozit-betét előgyártmányának elkészítésére alkalmas, kézi prés tervezésére, mely ezen kívül használható a sorozatgyártás utómunkázására, azaz a selejtszám csökkentésére is.

A feladat megoldásának első lépése a koncepciólista összeállítása és az optimális megoldás kiválasztása volt, majd a geometriai kialakítás és a szilárdsági ellenőrzés következett. Szakirodalmi áttekintésben vizsgáltuk a súrlódóbetét szokásos szerkezetét, kialakítását, gyártástechnológiáját. A polimerek alkalmazása ma már igen elterjedt, akár súrlódó elemekként is használatosak kiváló mechanikai és tribológiai tulajdonságaik miatt. A járműiparban használt súrlódóbetétek egy része üveg vagy fémszál-erősítésű kompozit [1]. A kompozit olyan többfázisú, összetett erősítőanyagból és beágyazóanyagból álló anyagrendszer, amelyben a nagy szilárdságú és nagy rugalmassági modulusú erősítőanyag és a szívós mátrix között jelentős deformáció és/vagy igénybevétel esetén is tartós adhéziós kapcsolat van [1].

A nagyobb teljesítményű motoroknál az élettartamra vonatkozó új előírások bonyolultabb tengelykapcsoló kialakításokat kívántak meg. Más fontos alkotóelemek mellett a súrlódóbetét a tengelykapcsoló szíve. A repedési fordulatszámra vonatkozó követelmények és így a súrlódó anyag szakítószilárdsága fontos kritérium a súrlódóbetét tervezésekor [2].

A présgép tervezésének a folyamata

Elsőként meghatároztuk az összfunkciót: a gépnek alkalmasnak kell lennie a kezdeti adhézió létrehozására az előgyártmányban nyomással. Ezt követte a részfunkciók meghatározása, amelyek (a teljesség igénye nélkül): az alkatrészek közötti mechanikai kapcsolat létrehozása, a szerszám pozicionálása, a megfelelő szilárdságú alátámasztás létrehozása. Következő lépésben létrehoztunk egy 10 megoldásváltozatból álló koncepciólistát, amelynél sajátos jelöléseket alkalmaztunk, majd ezek közül választottunk ki ötöt, melyeket 7 szempont szerint értékeltünk. Az előzetesen kiválasztott koncepciókat kiértékelő táblázatot az 1. táblázat mutatja. A legjobbra értékelt két koncepcióról készült vázlatot az 1(a) és 1(b) ábra szemlélteti.

Az ábrázolt két megvalósítási lehetőség közül az 1(a) ábrán látható keretes prést választottuk, mivel ez könnyebben kivitelezhető. A mechanikai méretezés első lépéseként felvettünk egy állandó keresztmetszetű keretszerkezetet, amelyet a 2. ábra szemléltet.

Mivel hat ismeretlen volt az egyensúlyi egyenletben, így a tartó határozatlan, amelyet Betti-tétellel oldottunk meg. A számítást követően megkaptuk a reakcióerőket és a reakciónyomatékokat, amelyek alapján felrajzoltuk az állandó keresztmetszetű tartó nyomatéki ábráját (2. ábra).

Ezután a fellépő igénybevételek alapján meghatároztuk, melyik keresztmetszeteket kell nagyobb merevséggel ellátni. A legjobban igénybe vett elem a kereszttartó, ezért annak nagyobb hajlítómerevségűnek kell lennie, mint a tartóoszlopoknak. A következő lépés a prés CAD modelljének létrehozása, amelyhez a Creo Parametric II programot használtuk. A berendezés háromdimenziós modellje a cikk nyitóképén látható.

A keretes prés nagyobb merevségű kereszttartóját és talapzatát két tartóoszlop köti össze, amelyek mindkét végüknél csavarkötéssel vannak rögzítve. A kereszttartó középső furatába illeszkedik a pneumatikus munkahenger központosító válla. A munkahenger csavarkötéssel van rögzítve a kereszttartóhoz. Az alsó szerszámfél a talapzaton rögzített, a felső szerszámfél pedig a munkahenger dugattyúrúdjának végéhez.

Szilárdsági ellenőrzés analitikus és végeselem módszerrel

Az Autodesk Inventor 2019 tervezőprogram VEM funkciójával vizsgáltuk a keretszerkezet megfelelőségét a kötőgépelemek elhagyásával. A terhelő erőt a szimmetriatengely mentén, a pneumatikus munkahengernek kialakított furatban helyeztük el (3. ábra).

Ahhoz, hogy a talapzat deformálódhasson, a megfogás az alkatrész középső furatában történt, és itt semmiféle elmozdulást nem engedtünk meg, tehát fix megfogást definiáltunk. A hálózás az Inventor program által generált elemekkel történt. Az alkatrészek között „bonded” kapcsolatot állítottunk be, kivéve a kereszttartó és a merevítőelem között, ahol „sliding/no separation” kapcsolatot definiáltunk. A keletkező redukált feszültség a teljes keretszerkezetben a használt anyagok folyáshatára alatti (4. ábra), tehát képes a terhelés elviselésére.

A szilárdsági ellenőrzés utolsó lépéseként végeselem módszerrel vizsgáltuk a felső szerszámfelet, amely vizsgálatnál az elsődleges szempont a lehajlás mértékének meghatározása volt. A szimuláció során az alkatrész felső részén kialakított horonyban hat a 6032 N nagyságú terhelés, mely középen hajlítja meg legjobban a darabot (5(a) ábra). Az alátámasztás a préselés során a szerszámfél és az előgyártmány érintkező felülete között lesz, így ezt a felületet láttuk el megfogási kényszerrel (5(b) ábra).

A legjobban terhelt rész a megvezető csap töve, melyben 104 MPa feszültség lép fel (6. ábra). A feszültségeloszlás egyenletes az alkatrész felülete mentén, így egyenletes erővel képes terhelni az előgyártmányt. Az alkatrész C45-ös ötvözetlen acélból készül, melynek folyáshatára: ReH = 340 MPa. n = 2 biztonsági tényezővel számolva a megengedett feszültség σmeg = 170 MPa. Az alkatrészben fellépő maximális feszültség a megengedett alatt van (σ < σmeg) így az alkatrész szilárdságtani szempontból megfelel.

Összefoglalás

A fejlesztési feladat elkészítésének célja egy olyan présgép tervezése volt, amely alkalmas mechanikai vizsgálatokhoz szükséges vizsgálati darabok gyártására, valamint a gyártásban egyes munkadarabok utómunkázására is. A szakítópróbatesteknek elegendő hely áll rendelkezésre az alsó szerszámfélben (7. ábra), ezért fő célját elérte a munka.

Alfeladatként még szükséges volt megismerni a Schaeffler Savaria Kft. kuplungjának működését és felépítését, ezen kívül a kuplung egyik legfontosabb alkatrészének szokásos kialakítási módjait és gyártástechnológiáit, továbbá el kellett végezni a tervezési folyamat lépéseinek, eszközeinek és nem elhanyagolható szempontjainak összegyűjtését is. Ezen alfeladatokat főleg szakirodalmak áttekintésével tudtuk elvégezni. Ezek után számba vettük a tervezendő présgép összes elemét és azok feladatait, a megoldásváltozatok értékelése és a legjobb megoldás kiválasztása után analitikus, kézi számításokkal végzett előtervezést követően végeselemes program segítségével is megvizsgáltuk a szerkezet megfelelőségét. Ezek után kijelenthető, hogy a megtervezett présgép alkalmas az előzetesen meghatározott feladatok elvégzésére.

A présgép szilárdságilag megfelel az elvárásoknak, azonban el kell látni megfelelő védőberendezésekkel, hogy biztonságos legyen a használata. További teendő még a működtetésének biztosításához szükséges egyéb berendezések felszerelése, amelyet a vállalat erre specializálódott alkalmazottjai végeznek el.

Irodalomjegyzék

[1] Czvikovszky T., Gaál J., Nagy P., A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2000.

[2] R. Felger, C. Spandern, M. Häßler, H.D. Elison, Innovative clutch facing materials – Cool facing for hot applications!, LuK symposium, 2006.