Разработка мобильного робота-разведчика с маховичным аккумулятором энергии (РПЗ)

Посмотреть архив целиком


















Оглавление

Введение 4

1. Постановка задачи 5

2. Исследовательская часть. 6

2.1. Рекуперация энергии с помощью маховика на автомобилях массового пользования (маховик Volvo). 6

2.2. Рекуперация энергии с помощью маховика на болидах Формулы-1. 13

2.3. Использование опыта производства маховиков в Формуле-1 для последующего использования их в гражданском автомобилестроении (маховик Flybrid). 17

2.5. Альтернативный маховик с использованием магнитной индукции (маховик Ricardo Energy). 20

3. Проектно-конструкторская часть 23

3.1. Описание компоновки 23

3.2. Тяговый расчет двигателя 24

3.3. Оценка перспективности использования МАЭ. 27

3.4. Расчет ресурса подшипников МАЭ. 29

3.5. Расчет клеевых соединений 31

3.5.1. Расчет клеевого соединения радиального подшипника с корпусом. 31

3.5.2. Расчет клеевого соединения генератора с корпусом. 32

3.6. Расчет резьбовых соединений 32

4. Технология сборки маховичного аккумулятора энергии. 36

4.1. Назначение узла. 36

4.2. Анализ технических требований на сборку МАЭ. 37

4.3. Анализ технологичности МАЭ. 37

4.3.1. Качественная оценка технологичности конструкции МАЭ 38

4.3.2. Количественная оценка технологичности конструкции МАЭ 39

4.4. Методы обеспечения точности 40

4.5. Разработка технологических схем сборки 42

4.6. Разработка маршрута сборки МАЭ. 45

4.6.1. Разработка маршрута сборки вала в сборе. 46

4.6.2. Разработка маршрута сборки корпуса в сборе. 47

4.7. Подготовка деталей к сборке 48

4.8. Расчёт усилий запрессовки 48

4.8.1. Определение усилия напрессовки маховика на вал. 50

4.9. Нормирование времени на операции сборки силового модуля 51

5. Организационно-экономическая часть. 55

5.1. Список конкурентов 56

5.2. Выбор и расчет стоимостного показателя 56

5.3. Выбор показателей качества 57

5.4. Оценка показателей качества 60

5.5. Расчет экспертного коэффициента качества 66

5.6. Расчет уровня конкурентоспособности 68

Таблица 8. Результаты использования метода соотношений. 71

5.7. Подведение итогов 71

6. Охрана труда и экология 73

7. Заключение. 81

Список литературы: 82

Введение

Практика ведения боевых действий армией США в зонах локальных конфликтов (Ирак, бывшая Югославия, Афганистан и др.) показала, что высокий технический уровень оснащения ВС современными типами вооружений, например, МРТК, важнее их количественных показателей. В частности, при ведении боевых действий в зоне Персидского залива применение дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов, роботизированной военной техники с возможностью ее использования для быстрого прорыва минно-взрывных заграждений создали условия крупного военно-технического превосходства. Кроме того, они обеспечили высокие темпы наступления войск стран НАТО на главных направлениях и снижение потерь личного состава и боевой техники. Поэтому сейчас во всех промышленно развитых странах ведут широкомасштабные работы по созданию МРТК.

К настоящему времени военные роботы наземного применения используют в разведывательных операциях, при обнаружении самодельных взрывных устройств, при поиске придорожных мин и т. д. Необходимо отметить, что ВС США активно продолжают исследовать потенциал применения наземной робототехники на поле боя.

Наземные роботы, находящиеся в настоящее время в стадии разработок и усовершенствования, все еще требуют частого вмешательства человека в процесс управления, поскольку они не автономны.








  1. Постановка задачи

В данной дипломной работе предлагается разработать мобильную роботизированную платформу для выполнения разведывательных операций.

Она должна выполнять задачи по сбору информации и передачи её на пульт оператора. В платформе должны использоваться максимально прогрессивные технологии, чтобы потом можно было применить опыт в последующих разработках.

Необходимо рассмотреть аналоги, выделить сильные и слабые стороны, проанализировать опыт применения и специфику эксплуатации. На основе анализа составить технические требования к разрабатываемой платформе и разработать конструкцию, отвечающую заданным техническим требованиям.

Разработать маршрутную технологию маховичного аккумулятора энергии.

Рассчитать конкурентоспособность проектируемого изделия по сравнению с аналогами.

Проанализировать требования, предъявляемые к системе управления МР для обеспечения безопасности оператора.

Сделать заключение о потенциале разработанной платформы.












  1. Исследовательская часть.



    1. Рекуперация энергии с помощью маховика на автомобилях массового пользования (маховик Volvo).

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Маховик приводится в движение в процессе торможения, поэтому энергия рекуперации доступна лишь в ограниченных пределах, когда вращается маховик. Эта технология наиболее эффективна в условиях, когда автомобиль часто тормозит и снова начинает движение. Другими словами, экономия топлива будет наиболее заметной при движении в городском потоке или при динамичной езде.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Шестикилограммовый карбоновый маховик диаметром около 20 сантиметров устанавливается на задней оси. Он вращается в вакууме, что снижает потери на трение, и «собирает» кинетическую энергию при торможении. Когда автомобиль начинает замедляться, отвечающий за вращение передних колес двигатель внутреннего сгорания отключается, а вся энергия направляется на маховик, который раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При начале движения эта энергия передается на задние колеса при помощи специального редуктора. Привод KERS на задние колеса делает автомобиль частично полноприводным, улучшая сцепление колес с дорожным покрытием и повышая стабильное поведение автомобиля в ходе ускорения.

Система рекуперации с маховиком позволяет прибавить к мощности обычного двигателя 80 лошадиных сил. В Volvo утверждают, что с их разработкой автомобиль с четырехцилиндровым двигателем сможет разгоняться так, как если бы на машине был установлен шестицилиндровый мотор. 

В ходе тестов экспериментальный Volvo S60 с бензиновой «четверкой» и системой Flywheel KERS набирал «сотню» за 5,5 секунды. При этом такая же модель с шестицилиндровым мотором достигает этой же отметки за 6,1 секунды.






    1. Рекуперация энергии с помощью маховика на болидах Формулы-1.

KERS позволяет аккумулировать энергию торможения болида, вместо того чтобы расходовать ее на бесполезный нагрев тормозных дисков, а затем вновь передавать эту энергию на вал трансмиссии.

Максимальный объем аккумулируемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность системы — 60 кВт, а период работы в режиме вспомогательного двигателя — 6,7с на каждом круге трассы. В режиме аккумулятора KERS могла работать непрерывно, а активация ее вызывалась нажатием специальной кнопки на штурвале болида на скорости свыше 100 км/ч. Дополнительная тяга могла использоваться пилотами для совершения обгонов и быстрого набора скорости после прохождения поворотов.

Предварительные расчеты показали, что KERS дает преимущество до 0,4 с на круге в сравнении со стандартной машиной. Это примерно 30 м разницы на финише. Не так уж и много, но зачастую именно мгновения решают судьбу команд.















Маховиковая KERS компании Flybrid, целый сезон отъездившая в экстремальных условиях «Формулы-1», легла в основу простой и дешевой системы для серийных автомобилей



В традиционных гибридных системах кинетическая энергия тормозящего автомобиля преобразуется в электрическую с помощью генератора. Генератор не только заряжает аккумуляторную батарею, которая впоследствии отдает энергию электромотору, но и создает дополнительное тормозное усилие, облегчая жизнь тормозам. Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была разработана компанией Zytek. Тогда же, в 2007 году, ведущие технологические партнеры формульных команд — Torotrak, X-Trac, Ricardo и Flybrid — создали концепцию маховиковой KERS. В ней кинетическая энергия болида преобразуется в кинетическую же энергию вращающегося маховика.

Устройство механической KERS Williams F1.

Маховик, созданный инженерами Williams F1.



    1. Использование опыта производства маховиков в Формуле-1 для последующего использования их в гражданском автомобилестроении (маховик Flybrid).

Специалисты компании Flybrid считают работу в F1 забавным, но крайне полезным экспериментом. Основное применение своей механической KERS британцы видят в массовом гражданском автомобилестроении — в частности, в скоростных моделях премиум-класса. Для этого старый добрый маховик придется сделать маленьким, легким и энергоемким.

В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.

«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор».

Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost — система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД.

Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.

    1. Безопасность маховиков.

Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!

Ключевой компонент KERS от Flybrid
Тороидальный вариатор Torotrak IVT обеспечивает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно с минимальными потерями энергии.


    1. Альтернативный маховик с использованием магнитной индукции (маховик Ricardo Energy).

Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные.

Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода.

По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок —99,9%.

3. Проектно-конструкторская часть

3.1. Описание компоновки

При разработке учитывались особенности эксплуатации, а также специфика задач, выполняемых данной платформой. В соответствии с анализом данной информации и техническими требованиями, приведенными в пункте 2.4 данного дипломного проекта, была разработана компоновка мобильной роботизированной платформы и проведены расчета всех её компонентов.

На этапе разработки, было принято решение использовать полиуретановые гусеницы, так как полиуретановые гусеницы являются наиболее эффективными при эксплуатации. Такие гусеницы отличаются компактностью, меньшим весом, минимальными затратами при эксплуатации и обслуживании.

Для снижения стоимости и массы разрабатываемого изделия, было принято решения использовать только один мотор-редуктор на борт.

Особенностью данной машины является использование маховичного аккумулятора энергии вместо обычных аккумуляторов. Данное устройство подзаряжается от док-станции, на которой раскручивается маховик до 60000 об/мин, после чего робот едет до тех пор, пока датчик не дает сигнал о том, что маховик вращается со скоростью 20000 об/мин, после чего робот автоматически едет к док-станции на подзарядку.

В центре корпуса установлен системный блок управления. В системном блоке установлена плата приема/передачи управляющих сигналов, а также – плата передачи видеосигнала.

Корпус, все защитные кожухи и крышка выполнены из композитного материала для снижения веса конструкции.

3.2. Тяговый расчет двигателя

Исходные данные:

  • Масса машины в снаряженном состоянии: G = 100 кг;

  • Максимальная скорость движения: v = 18 км/ч;

  • Максимальный угол подъема: α = 30о;

  • Коэффициент сопротивления движению: fmin = 0.06;

  • Кпд мотора: ηдв = 0.78;

  • Кпд редуктора: ηред = 0.64;

  • Коэффициент сцепления: φ = 06;

  • Радиус ведущего колеса: rвк = 01 м

Расчет:

Общий КПД:

Общий коэффициент сопротивления движению:

Потребная сила тяги:

Н

Максимальная эффективная мощность:

Вт

Сила тяги по сцеплению:

Н

Условие движения по сцеплению:

;

Машина будет двигаться длительный промежуток времени, поэтому необходимо, чтобы электродвигатели работали без перегрузок. Для удешевления конструкции было принято решение использовать стандартный мотор-редуктор с требуемыми характеристикам. Исходя из требуемой расчетной максимальной мощности, скорости движения машины был выбран электродвигатель ДБМ 120 - 1,6 - 0,75 - 2. Внешний вид данного электродвигателя представлены на рисунке 3.1.


Рис. 3.1. Внешний вид и размеры электродвигателя.

Наружный диаметр статора D

120

Внутренний диаметр ротора d

60

Осевая длина, L не более

54

Число пар полюсов

8

Число фаз

2

Номинальное напряжение питания, В

27

Частота вращения при идеальном холостом ходе, об/мин

680-760

Пусковой момент, Н• м, не менее

8,0

Сопротивление секции фазы (фазы) постоянному току при температуре 20°C, Ом

0,5-0,57

Электромагнитная постоянная времени фазы, мс, не более

1,0

Приведенные к фазе коэффициенты: момента См, Н•м/А; ЭДС СЕ , В•с/рад

0,34-0,38

Момент инерции ротора, кг•м 2

1,5 •10 -3

Момент сопротивления при обесточенных обмотках, Н•м не более

0,16

Предельно допустимая амплитуда тока в фазе обмотки статора, А

35,5

Термическое сопротивление статора, ° C/Вт

0,2-0,25

Масса, кг, не более

1,8

Электромеханическая постоянная времени (усредненная), мс

12,5

Материал магнитов

Неодим-Железо-Бор

Для преобразования крутящего момента и оборотов электродвигателя, между ведущим колесом и электродвигателем установлен планетарный редуктор с передаточным отношением 4:1.

Динамический фактор платформы рассчитывается по следующей формуле:

Рис. 3.2. График динамического фактора мобильной роботизированной платформы.

3.3. Оценка перспективности использования МАЭ.

Оценку перспективности применения МАЭ выполним на примере перспективного мобильного робота массой 100 кг, развивающего максимальную скорость vтс max = 5 м/с (18 км/ч).

Из компоновочных соображений, с целью размещения МАЭ в моторно– трансмиссионном отделении (МТО) МР, зададим диаметр маховика dа равным 0,3 м. Масса маховика цилиндрической формы с отверстием в 0,2 м, выполненного из карбона, шириной bм равной 0,15 м составит

m = ρv = 2000кг/м3·3.14·0.15м· (0.15 м-0.1 м)2 = 2.4 кг.

Момент инерции цилиндрического диска находится по формуле

Iа = ma*(r12+r22) /2=2.4 кг·((0.15м)2+(0.1м)2) /2=0.039 кг·м2.

Максимальная кинетическая энергия вращающегося маховика находится по формуле:

Еа max = 0,5·Iа·ω²а max = 770 кДж. (ω²а max = 60000об/мин = 6283 рад/с).
Энергия, затрачиваемая на передвижение, распределяется по передачам следующим образом:

Рассчитываем, сколько потребуется энергии для движения робота в течение часа: E=N·1ч=N·3600c
N=P·V
P1=0,04·100 кг·9.81 м/с2=39.24 Н

P2=0.05·100 кг·9.81 м/с2=49.05 Н

P3=0.06·100 кг·9.81 м/с2=58.86 Н

P4=0.08·100 кг·9.81 м/с2=78.48 Н

P5=0.1·100 кг·9.81 м/с2=98.1 Н

N1=39.24 Н·5 м/с=196.2 Вт

N2=49.05 Н·4 м/с=196.2 Вт

N3=58.86 Н·3 м/с=176.58 Вт

N4=78.48 Н·2 м/с=156.96 Вт

N5=98.1 Н·1 м/с=98.1 Вт

E1=196.2 Вт·3600c·0.05=35.3 кДж

E2=196.2 Вт·3600c·0.1=70.6 кДж

E3=176.58 Вт·3600c·0.15=95.4 кДж

E4=156.96 ·3600c·0.2=113 кДж

E5=98.1 Вт·3600c·0.5=176.6 кДж
E=E1+E2+E3+E4+E5=35.3 кДж + 70.6 кДж + 95.4 кДж + 113 кДж + 176.6 кДж = 491 кДж.

Расчеты показывают, что за счет энергии, вырабатываемой за счет вращения маховика, робот сможет непрерывно двигаться как минимум в течение часа, что и является необходимым условием.



3.4. Расчет ресурса подшипников МАЭ.

Так как в МАЭ очень большие скорости вращения, то нам приходится использовать магнитные подшипники, только они могут выдержать вращение на скорости более 60000 об/мин.

На рисунке 3.3 представлена схема нагружения радиальных магнитных подшипников.

Рис. 3.3. Схема нагружения радиальных подшипников.

- вес маховика, Н;

Радиальные нагрузки, действующие на подшипники:

Так как схема подшипников симметричная, то дальнейший расчет будем вести для одного из подшипников.

Осевая нагрузка на подшипник определяется по формуле:

Н,

где  - коэффициент осевой нагрузки;

Приведенная радиальная нагрузка для подшипника:

Н, где m = 1,5-коэффициент влияния осевой нагрузки,

- коэффициент динамичности, равный 2,5,

- температурный коэффициент, равный 1.

На рисунке 3.4 представлена схема нагружения осевых магнитных подшипников.

Рис. 3.4. Схема нагружения радиальных подшипников.

- вес маховика, Н;

Радиальные нагрузки, действующие на подшипники:

Так как схема подшипников симметричная, то дальнейший расчет будем вести для одного из подшипников.

Осевая нагрузка на подшипник определяется по формуле:

Н,

где  - коэффициент осевой нагрузки;

Приведенная радиальная нагрузка для подшипника:

Н, где m = 1,5-коэффициент влияния осевой нагрузки,

- коэффициент динамичности, равный 2,5,

- температурный коэффициент, равный 1.

3.5. Расчет клеевых соединений

Применение клеевых соединений в конструкции мобильной роботизированной платформы позволило уменьшить массу, уменьшить количество крепежных деталей и упростить сборочный процесс. Клеевые соединения применяются в конструкции для фиксации резьбовых втулок внутри корпуса, т.к. резьба, нарезанная в пластиковом корпусе, не обладает достаточной прочностью, чтобы выдерживать ударные нагрузки. Также клеевое соединение применяется для передачи момента на силовом и ведомом модулях, кроме того фиксация компенсирующей муфты на валу мотор-редуктора внутри узлов качания камер, также выполнена с помощью клеевого соединения.

3.5.1. Расчет клеевого соединения радиального подшипника с корпусом.

Срез клеевого слоя происходит по цилиндрической поверхности диаметром d и длиной l. Считаем, что касательные напряжения распределены по площади среза равномерно.

Рис. 3.5. Схема расчета клеевого соединения.

Запишем уравнение равновесия: 

откуда:

Условие прочности на срез клеевого слоя имеет вид:

 

Из расчета можно сделать вывод, что соединение проходит по прочности.

3.5.2. Расчет клеевого соединения генератора с корпусом.

Расчет проводится аналогично расчету, приведенному в пункте 3.7.1 данного дипломного проекта.

 

Из расчета можно сделать вывод, что соединение проходит по прочности.

3.6. Расчет резьбовых соединений

Резьбовые соединения в конструкции применяются для крепления большой и малых крышек, крепления осевого магнитного подшипника, вакуумного клапана и электрического разъема. Наиболее нагруженным соединением будет являться крепление большой крышки к корпусу, т.к. болты принимают на себя всю нагрузку, возникающую при ударе. Кроме того, они крепятся к корпусу болтами М8, которые имеют самый маленький диаметр среди применяемых в данной конструкции.

Последующий расчет будет проводиться для болтов М8.

При расчете резьбы на прочность принимают следующее допущение: все витки резьбы нагружаются равномерно (хотя теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что для гайки с шестью витками первый виток резьбы воспринимает 52% всей осевой нагрузки, второй — 25%, третий — 12%, шестой — только 2%).

На практике расчет резьбы на прочность проводится по условным напряжениям, которые сравнивают с допускаемыми, определяемыми на основе экспериментов. Полагая нагружение витков равномерным, резьбу принято рассчитывать по напряжениям смятия и среза.

Расчет витков резьбы на срез и смятие производят в случаях, когда одна из деталей, с резьбой выполнена из материала менее прочного, чем другая, или при использовании резьбовых деталей с нестандартными параметрами. В данном случае винт и стакан изготовлены из разных материалов. Стакан изготовлен из менее прочного сплава алюминия Д16Т.

Срез резьбы винта происходит по диаметру d1, резьбы гайки по диаметру d (рис. 3.24). При одинаковой прочности винта и гайки расчет производят по диаметру d2, как наименьшему, а в случае использования гайки меньшей прочности, чем винт, дополнительно проверяют на прочность и резьбу гайки по диаметру d.

Рис. 3.24. Схема для расчета витков резьбы.

Условие прочности витка резьбы по смятию для гайки:

 F - осевая сила, действующая на болт;

 d2  средний диаметр резьбы;

h - высота витка;

 z - число витков резьбы в гайке;

[σ]см - допускаемое напряжение смятия материала.

Так как крышку крепят 10 болтов, то нагрузка от удара поделится между ними равномерно:

m – масса все платформы;

– ускорение замедления;

s – расстояние от оси вала до оси винтов;

l – расстояние от плоскости корпуса, к которой крепится крышка до плоскости приложения силы.

Получаем:

Проверочный расчет резьбы по напряжению среза.

Условие прочности:

τср — расчетное напряжение среза в резьбе;

[τ]ср — допускаемое напря­жение среза в резьбе.

 F — осевое усилие, действующее на болт; 

d — наружный диаметр резьбы; 

Н — высота гайки;

K = cd/P — коэф­фициент, учитывающий тип резьбы (K=0,87 — для метрической резьбы; К= 0,5 — для прямоугольной и К= 0,65 — для трапецеидальной резьбы).

По результатам расчета можно сделать вывод, что резьбы проходят по критерию прочности на смятие и срез с большим запасом.


























4. Технология сборки маховичного аккумулятора энергии.

4.1. Назначение узла.

Маховичный аккумулятор энергии (МАЭ) предназначен для преобразования энергии вращательного движения маховика в электрическую посредством генератора и дальнейшей передачи энергии на мотор-колесо.

В состав МАЭ входят:

  • Вал в сборе;

  • Корпус в сборе;

  • Подшипники магнитные осевые;

  • Крышка большая;

  • Крышки малая;

  • Прокладки 10 мм;

  • Прокладка 15 мм;

  • Болт М8х20 ГОСТ 7796-70;

  • Винты М5х10 ГОСТ 17474-80;

  • Винты М5х14 ГОСТ 17474-80.

Вал в сборе состоит из:

  • Генератора;

  • Вала;

  • Втулка;

  • Маховик;

  • Подшипник магнитный радиальный.

Корпус в сборе состоит из:

  • Корпус;

  • Винты М5х10 ГОСТ 17474-80;

  • Разъем электрический;

  • Штуцер вакуумный.

4.2. Анализ технических требований на сборку МАЭ.

Технические требования на сборку составлялись с учетом конструкции МАЭ, а также его отдельных элементов и рекомендаций, представленных в литературе.

  1. Детали, поступающие на сборку, должны быть без забоин на рабочих поверхностях, коррозии и в чистом виде (для обеспечения заданной точности при сборке). Данное требование обусловлено тем, что если, например, останутся следы ржавчины на деталях, то процесс продолжится в собранном изделии, что недопустимо. Для обеспечения этого требования детали необходимо тщательно протереть, продуть, удалить следы коррозии. Метод контроля – визуальный.

  2. Крепёжные детали должны быть надёжно затянуты во избежание их откручивания в процессе работы силового модуля. Винты М5 и болты М8, используемые при сборке МАЭ, в соответствии с ГОСТ Р 52644-2006, необходимо затягивать моментом 5...7 и 50...60 Нхм соответственно. Затяжку необходимо контролировать с помощью динамометрического ключа.


4.3. Анализ технологичности МАЭ.

Оценка технологичности изделия имеет целью установить соответствие конструкции современному уровню развития техники, её экономичность, удобство в изготовлении и эксплуатации.

В соответствии с ГОСТ 14.201-83 оценка технологичности бывает двух видов: качественная и количественная. Дополнительные показатели технологичности позволяют оценить уровень стандартизации и унификации изделия; надёжность выполнения установленных для изделия функций при минимальном числе составных частей; возможность рационального разделения на составные части.

4.3.1. Качественная оценка технологичности конструкции МАЭ

Все используемые в сборке крепежные детали: винты М5х10 ГОСТ 17474-80, винты М5х14 ГОСТ 17474-80, болты М8х20 ГОСТ 7796-70, являются стандартными изделиями, что позволяет сэкономить на разработке и производстве крепежных элементов и значительно упрощает сборку, что в свою очередь, повышает технологичность МАЭ.

Сборка проводится при помощи простых приспособлений, инструментов и сменных оправок. Запрессовка подшипников выполняется на гидравлическом прессе с использованием оправки, остальные операции выполняются вручную с применением таких инструментов как шестигранные ключи и щипцы.

Небольшие габаритные размеры - не более 350 мм по длине, ширине или диаметру. Небольшая масса деталей: 2,5 кг – самая тяжелая деталь, 4 кг – вес всей сборки. Все это позволяет перемещать и работать с деталями без дополнительных приспособлений, снижая нагрузку на сборщика изделия.

Шероховатости поверхностей колеблются от 3.2…6.3 мкм: посадочные поверхности для внутренней (вал) и внешней (корпус) поверхностей подшипников; до 120 мкм: внутренняя поверхность корпуса, торцы крышек, торцы корпуса.

При сборке производится только одна операция запрессовки с использование гидравлического пресса, все остальные операции производятся вручную на верстаке. Это позволяет использовать для сборки рабочих с невысокой квалификацией.

4.3.2. Количественная оценка технологичности конструкции МАЭ

Технологичность конструкции МАЭ ведущего колеса обеспечивается следующими факторами:

С учетом принципа агрегатирования изделие разбито на рациональное число составных частей, сборку которых можно производить независимо друг от друга. Этими составными частями являются:

  • Вал в сборе;

  • Корпус в сборе;

Коэффициент сборности конструкции:

- общее число сборочных единиц в изделии;

- общее число деталей, за исключением вошедших в сборочные единицы и крепёжные изделия;

Коэффициент повторяемости:

Ен – количество наименований деталей, вошедших в сборочные единицы;

Dн – количество наименований деталей, не вошедших в состав сборочных единиц;

К сожалению, специфика разрабатываемого изделия не позволяет сравнить коэффициенты сборности и повторяемости с нормативными значениями, т.к. они отсутствуют для данного типа изделия. Однако общие рекомендации, такие как применение стандартных изделий и увеличение числа сборочных единиц выполнены. В сборке МАЭ все крепежные элементы являются стандартными, а количество сборочных единиц максимально. Дальнейшее увеличение количества сборочных единиц физически невозможно, т.к. при этом невозможно будет произвести сборку изделия.

  • удобный доступ к местам, требующим контроля;

  • соблюдение принципа взаимозаменяемости, как на уровне стандартных деталей и элементов, так и на уровне сборочных единиц;

  • использование в качестве крепежных элементов стандартных изделий;

  • количество наименований деталей и сборочных единиц сведено к минимуму;

  • отсутствие применяемых при сборке сложных оправок и специальных инструментов;

Приведенный анализ количественной оценки технологичности конструкции свидетельствует о достаточном уровне технологичности сборочного процесса силового модуля.

4.4. Методы обеспечения точности

Методы обеспечения заданной точности замыкающих звеньев размерных цепей конструктор выбирает при создании сборочных чертежей. Требуемая точность сопряжения деталей при сборке обеспечивается методами полной, неполной и групповой взаимозаменяемости, регулировкой и индивидуальной пригонкой.

Для достижения требуемой точности взаимного положения элементов собираемого изделия следует совмещать сборочные базы с установочными и измерительными. Базовая деталь изделия должна иметь технологическую базу, обеспечивающую достаточную устойчивость собираемого узла. Для соблюдения принципа взаимозаменяемости необходимо избегать многозвенных размерных цепей, которые сужают допуски на размеры составляющих звеньев. Если сократить число звеньев невозможно, то в конструкции изделия следует предусмотреть жесткий или регулируемый компенсатор. Проведение регулировочных работ, разборок и повторных сборок требует ручных операций.

При сборке в зависимости от типа производства различают пять методов достижения точности замыкающего звена. Далее проводится сравнительный анализ методов обеспечения точности и выбор пригодного для данных условий.

  1. Метод полной взаимозаменяемости. При этом методе качественное соединение образуют любые сопрягаемые детали, входящие в сборочную единицу. Пригонки деталей отсутствуют. Допуски на сопрягаемые детали устанавливает конструктор, но взаимозаменяемость может произойти, если эти допуски равны или больше допусков технологических. Чем больше деталей в размерной цепи сборочной единицы, тем более жестким должен быть допуск на каждую деталь. Это обстоятельство существенно удорожает производство.

  2. Метод неполной взаимозаменяемости. В этом случае требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается у заранее обусловленной части объектов путем включения в неё составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений. Таким образом, у части изделий погрешность замыкающего звена может выходить за пределы допуска на сборку, т.е. возможен риск не собираемости.

  3. Метод групповой взаимозаменяемости. В этом случае конструкторские допуски меньше технологических. Все полученные детали сортируют на группы, а затем соответствующую точность обеспечивают подбором деталей из соответствующих групп.

  4. Метод пригонки. При этом методе требуемая точность замыкающего звена достигается в результате изменения размера одного из заранее намеченных составляющих звеньев.

  5. Метод регулировки. При этом методе размеры деталей, входящих в размерную цепь, имеют технологические допуски, т.е. характеризуются точностью, обеспечиваемой в данном производстве, а требуемая точность замыкающего звена достигается путём изменения величины заранее выбранного компенсирующего звена без снятия с него слоя металла. Компенсирующим звеном может оказаться шайба, втулка или прокладка, которую в процессе сборки можно регулировать, а после регулирования закрепить. Метод регулировки имеет значительные преимущества перед методом пригонки, т.к. не требует дополнительных затрат, его можно применять для достижения точности замыкающего звена многозвенных размерных цепей.

Компенсирующим звеном может оказаться шайба, втулка или прокладка, которую в процессе сборки можно регулировать, а после регулирования закрепить. Метод регулировки имеет значительные преимущества перед методом пригонки, т.к. не требует дополнительных затрат, его можно применять для достижения точности замыкающего звена многозвенных размерных цепей.

Учитывая данные факты, можно сделать вывод о том, что при сборке силового модуля метод регулирования является наиболее предпочтительным, поскольку отсутствует риск несобираемости, и отсутствуют дополнительные затраты.

4.5. Разработка технологических схем сборки

Построение технологического процесса сборки может быть представлено в виде технологических схем, которые отражают структуру и последовательность сборки изделия и его составных частей.

Сборку машины, механизма, сборочной единицы нельзя проводить в любой последовательности. Её необходимо согласовывать с конструкцией собираемого изделия и его составных частей.

В пункте 3.1 данной части дипломного проекта определена разбивка МАЭ по отдельным узлам и сборочным единицам.

В данном разделе строятся технологические схемы сборки как МАЭ в целом, так и отдельных сборочных единиц, и узлов.

Далее рассматривается процесс сборки МАЭ мобильной роботизированной платформы в виде технологических схем.

Прежде всего необходимо закрепить вал в сборе поз. 2 на корпусе в сборе поз. 1. Без этого невозможно осуществить последующую сборку МАЭ. Далее устанавливаем подшипник магнитный осевой поз. 3 на вал в сборе поз. 1 с помощью винтов М5х14 поз. 10. После этого устанавливаем прокладку 70 мм поз. 6 и прижимаем ее крышкой малой поз. 5, которую крепим к корпусу с помощью винтов М5х14 поз.10. После этого с другой стороны корпуса устанавливаем прокладку 310 мм поз. 7 под крышку большую поз. 4, которую закрепляем с помощью болтов М8х20. После этого устанавливаем подшипник магнитный осевой поз. 3 на вал в сборе поз. 1 и закрепляем его на валу с помощью винтов М5х14 поз.10. Остается установить вторую крышку малую поз. 5, предварительно поставив прокладку 70 мм поз. 6 и поджать крышку винтами М5х14 поз.10. В завершении проверить, герметична ли конструкция.

На рисунке 3.1 представлена технологическая схема сборки МАЭ мобильного робота.


Рисунок 4.1. Технологическая схема сборки МАЭ мобильной роботизированной платформы.


На рисунке 4.2 представлена технологическая схема сборки вала в сборе мобильной роботизированной платформы.


Рисунок 4.2. Технологическая схема сборки вала в сборе мобильной роботизированной платформы.

На рисунке 4.3 представлена технологическая схема сборки корпуса в сборе.