3. Конструкторская разработка

3.1. Обоснование темы конструкторской разработки.

Как отмечалось ранее, в технологическом разделе, выполнение стендовой обмотки при ремонте ДВС, является мерой способной значительно повысить технико-экономическую эффективность автотранспорта. Однако в ремонтной мастерской автопарка КСП «Герои Сиваша» отсутствует какое либо технологическое оборудование для выполнения этой операции. Поэтому для реализации предполагаемого технологического процесса холодной обмотки автомобильных ДВС в настоящем дипломном проекте была поставлена задача разработать для этого технологическое оборудование, отличающееся универсальностью, т. е. пригодное для многих моделей ДВС, имеющее небольшую стоимость и доступность в изготовлении, надежное и безопасное в эксплуатации.

Предварительно был проведен аналитический обзор учебной и инженерно-технической литературы, статей специальных периодических изданий, патентной и рекламной информации.

Проведенный обзор показал, что имеется многочисленная серия обкаточных стендов конструкции которых отвечают различным технологиям обкатки по полному или сокращенному режиму.

Обкатка двигателей главным образом с использованием следующего оборудования:

1.  На простейших стендах предназначенных только для обкатки при холостом ходе двигателя;

2.  На стендах, включающих в себя электродвигатель и редуктор (КП). При этом возможно частичное нагружение двигателя;

3.  На гидротормозном стенде, где торможение двигателя достигается за счет сопротивления воды;

4.  На электротормозном стенде, основа которого – электродвигатель с фазным ротором, обеспечивающий прокрутку автомобильного двигателя в режиме электродвигателя и нагружение его в режиме генератора.

5.  Стенды на основе электрических тормозов постоянного тока;

6.  Стенды с использованием инерционных тормозов;

7.

Стенды на основе электрических индукционных тормозов (фирмы «Шенк», «Хофман» – Германия).

На отечественных авторемонтных предприятиях для обработки ДВС главным образом используются электрические тормозные стенды серии КИ… (более 15 модификаций).

На основании информации полученной при обзоре с учетом технико-экономических требований к разрабатываемому объекту много предложено для холодной (как наиболее дешевой) обкатки ремонтируемых ДВС в авторемонтной мастерской использовать универсальный передвижной привод для обкатки. Разработка конструкции этого механизма выполнена в настоящем разделе.

3.2. Устройство и работа универсального привода для обкатки ДВС.

Универсальность обкаточного привода состоит в том, что положение его рабочего вала по высоте может изменяться в пределах 1000 мм., это позволяет совмещать его ось с выходными концами коленчатых валов ДВС, установленных на рамах различных моделях автомобилей. При этом рабочий вал привода может быть оснащен различными присоединительными головками соответственно определенной модели ДВС.

Общий вид конструкции универсального привода представлен на листе 5 графической части проекта.

Привод смонтирован на передвижной раме-тележке (поз.1), что позволяет перемещать его к обкатываемому двигателю. На раме-тележке подвижно установлена вторая подвижная рама, на которой установлена поворотная платформа (поз.2). Опорно-поворотным узлом платформы служит подшипниковая опора включающая радиально-упорный конический подшипник № 7314 (поз.22) и радиальный шарикоподшипник № 213 (поз.22). На поворотной платформе смонтирован силовой обкаточный привод, который состоит из электродвигателя 4А132S; N = 7,5 кВт ;n = 1500 об/мин; (поз.20). подшипниковой опоры (поз.21), в которой размещен поддерживающий вал (поз 10).

Поддерживающий вал соединяет вал электродвигателя с ведущим диском муфты сцепления (поз.5), кроме того вал является удерживающей опорой муфты сцепления. В приводе использована муфта сцепления автомобиля ГАЗ-53. Для управления муфтой сцепления имеется рычажная система (поз.7). Ведомые диски муфты сцепления соединены с входным валом коробки передач (поз4). Здесь использована коробка передач с автомобиля ГАЗ-53. Коробка передач, имея различные передаточные числа обеспечивает ступенчатое изменение скорости обкатки двигателя.

Таблица 3.1. Возможные режимы обкатки ДВС.

Передача	1	2	3	4	задняя
Передаточное число	6,48	3,00	1,71	1,00	7,90
Частота вращения рабочего вала, об/мин	231,5	500	877,2	1500	189,9

Все узлы силового привода (электродвигатель, подшипниковая опора, муфта сцепления, КПП) смонтированы на платформе через вертикальные плиты.

В полости образованной металлоконструкцией рамы-тележки смонтирован гидравлический привод механизма подъема платформы.

Конструкция механизма подъема платформы представлена на листе 6.

Киниматико-гидравлическая схема механизма представлена на листе 7. Она включает: силовые механизмы, электродвигатель асинхронный трехфазный 4А63, N = 0,18 кВт ;n = 1000 об/мин; шестеренчатый насос НШ-10, гидроцилиндр 1-40Х50 МН 2255-61. Вал электродвигателя и насоса соединяются фланцевой муфтой.

Кроме того гидросистема включает управляющие узлы: дроссель крановый, гидрораспределитель, клапан предохранительный.

Рабочая жидкость находится в компактном резервуаре емкостью 25 литров, который снабжен фильтром. Для транспортировки жидкости применена медная труба М2М6Х1 Гост 617.

В качестве рабочей жидкости используется масло индустриальное И-20А Гост 20799 с кинематической вязкостью 17…20 сСт.

Работает универсальный привод следующим образом. С помощью тягача (однако все конструкции позволяют и вручную) привод перемещается к ДВС, обкатка которого предстоит. Предполагается, что этот двигатель установлен и закреплен на раме автомобиля. Далее выполняется установка соосности рабочего вала привода и выходного конца коленчатого вала ДВС. Для этого рабочий вал поднимается на требуемую высоту с помощью механизма подъема, который управляется с кнопочного пульта.

Нажатием кнопки включается электроуправляемый гидрораспределитель и например для поднятия шток гидроцилиндра (поз.12) начинает вдвигаться и через блок (поз.7) тянет и перемещает трос полиспаста. Будучи присоединенным к подвижной раме, трос перемещает раму (поз.2) вверх на требуемую величину. При этом опорноходовые ролики (поз.3) рамы движутся в направляющих позах швеллера основной рамы (поз.1).

Достигнув требуемой высоты, гидрораспределитель переключается в нейтральное положение, что позволяет удерживать раму (2) в достигнутом положение.

Долее точное выставление соосности валов выполняется небольшим поворотом платформы вокруг опорного шарнира (22), а так же с помощью установочных винтовых домкратов (3). Установочные домкраты служат также для окончательной фиксации положения платформы привода. После установки соосности концов валов они соединяются между собой присоединительной головкой, которая предварительно закрепляется на рабочем валу. Для каждого типа ДВС должна применяться соответствующая головка.

Для запуска привода, перед непосредственной обкаткой, рычагом управления (7) разъединяется муфта сцепления и запускается электродвигатель (20).

Предварительно коробка переменных передач устанавливается на требуемую передачу. Далее плавным включением муфты движение подается на ДВС.

Для переключения уровня передачи муфта сцепления также отключается.

Электрооборудование управления обоими электродвигателями расположено в сборной полости вертикальной части основной рамы и закрыто защитными металлическими листами. Управление работой универсального привода осуществляется с помощью выносного кнопочного пульта. (поз.24).

3.3. Расчет и выбор электродвигателя привода.

Мощность, затрагиваемая на прокрутку ДВС при обкатке, зависит не только от модели двигателя, но и от многих других факторов таких как деформационные явления, качества замененных деталей, тщательности сборки и т. д. Расчетные формулы, учитывающие значимость этих факторов, в настоящее время отсутствуют. Однако в книге [__] рекомендуется общая экспериментальная зависимость приближенно устанавливающая мощность прокручивания холодного ДВС в начале обкатки.

где NДВС – номинальная эксплутационная мощность обкатываемой модели ДВС, кВт.

Поскольку проектируемый обкаточный привод должен быть универсальным, т. е. применим для разных моделей автомобильных двигателей имеющихся в автопарке, в качестве исходной для расчетов принимаю характеристику наиболее мощного двигателя. (См. таблицу 3.2.).

Таблица 3.2. Эксплуатационная мощность ДВС автомобилей автопарка. [__].

Модель	Мощность ДВС, кВт
ГАЗ 24	73
Москвич	53
ГАЗ 53	85
УАЗ	52
ЗИЛ 130	111
МАЗ 500	133
КАМАЗ	155

Расчетная мощность прокручивания холодного ДВС

Ориентируясь на расчетное значение мощности прокручивания выбираю электродвигатель для привода асинхронный тип 4А132S. его технические характеристики:

-  мощность – 7,5 кВт;

-  номинальная частота вращения 1500 об/мин.;

-  диаметр выходного вала 38 мм.

3.4. Расчеты, подтверждающие работоспособность универсального привода.

В качестве объектов расчета выбраны основные узлы и элементы конструкции определяющие работоспособность и надежность, а соответственно и безопасность эксплуатации спроектируемого универсального привода. Прочностные расчеты при этом выполнены в виде проверочных. Для выполнения расчетов требуется иметь значения расчетных нагрузок.

3.4.1. Определение расчетных нагрузок.

Основной рабочей нагрузкой для расчета узлов механизма подъема и других элементов конструкции, исходя из принципа устройства и работы универсального привода, является общий вес подвижной рамы с размещенными на ней механизмами и узлами, а так же динамические нагрузки при ее поднятии или опускании. Общий вес подвижной рамы определится так:

где Q м. к. = 750 Н – вес металлоконструкции рамы;

Q п. п. = 650 Н – вес поворотной платформы;

Q э. д. = 450 Н – вес электродвигателя;

Q м. с. = 150 Н – вес муфты сцепления;

Q к. п. = 450 Н – вес коробки переменных передач.

3.4.2. Кинематический расчет узлов механизма подъема.

Привод механизма подъема подвижной рамы представляет собой гидравлико-механическую систему. Источником механической энергии в привода механизма служит электродвигатель асинхронный переменного тока. Источником гидравлического давления в гидросистеме принят шестеренчатый насос типа НШ-10. Его технические характеристики [__]:

-  рабочий объем 10 см3/об;

-  номинальное рабочее давление 10 Мпа;

-  номинальная частота вращения 14с-1;

-  объемный к. п.д. 0,92;

-  полный к. п.д. 0,75.

В качестве силового узла гидросистемы принят гидроцилиндр І–40Х500 МН 2255-61. Его технические характеристики [__]:

-  диаметр цилиндра 50 мм.;

-  диаметр штока 20 мм.;

-  ход поршня 500 мм.;

-  номинальное давление 16 МПа;

-  усилие на штоке до 20кН;

-  размер присоединительной резьбы М14Х1,5.

Режимы работы всех узлов механизма подъема определяются скоростью подъема подвижной рамы. С учетом безопасности эксплуатации универсального привода и возможности точного совмещения выходного конца коленчатого вала обкатываемого ДВС и конца рабочего вала привода, принята скорость подъема и опускания подвижной рамы – 0,03 м/сек.

При принятой кинематической схеме механизма подъема (кратность полиспаста равна 2), см. рисунок 3.1 _____________, скорость движения штока гидроцилиндра должна быть:

где vк = 0,1 м/с – скорость движения каната, т. е. рамы.

і = 2 – кратность полиспаста.

Максимальное усилие, действующее на шток гидроцилиндра при подъеме рамы:

Q рам = 2,5 . 103Н – общий вес подвижной рамы (см. расчет ранее).

Рис.3.1. Кинематическая схема механизма подъема привода.

1. – гидроцилиндр; 2. – подвижная рама;

3. – полиспаст; 4. – канат.

 

Необходимая подача жидкости в рабочий гидроцилиндр для обеспечения принятой скорости движения рамы [__].

где F п. р. = 9,5см2 – рабочая площадь поршня гидроцилиндра.

Поскольку подача шестеренчатого насоса при номинальной частоте вращения 1000 об/мин составит

где G = 10 см3/об – рабочий объем насоса;

п ≈ 1000 об/мин – частота вращения приводного двигателя.

Что значительно больше необходимой подачи жидкости в гидроцилиндр (167 см3/с = S >> Sу = 57 см3/с).

Поэтому в гидравлическую схему, для регулировки (уменьшения) подачи включаю крановый дроссель (поз.3.5 на гидравлической схеме, лист 7).

Необходимое давление в гидросистеме для создания на штоке усилия поднятия рамы [__].

где F п. р. = 9,5 . 10-4м2 – рабочая площадь поршня при движении – втягивание, т. е. при подъеме рамы.

Необходимая мощность для работы гидропривода механизма подъема рамы [__].

где Sу = 57 см3/с = 3,5 л/мин – подача жидкости в рабочий гидроцилиндр;

η= 0,75 – кпд. насоса.

Ориентируясь на расчетную мощность, выбираю для привода гидросистемы асинхронный электродвигатель 4А63. Его технические характеристики:

-  мощность 0,18 кВт;

-  номинальная частота вращения 1000 об/мин;

-  диаметр выходного вала 14 мм.

3.4.3. Расчет прочности элементов конструкции.

Расчет винтовой пары домкрата.

Винтовая пара домкрата является ответственным грузонесущим узлом конструкции привода. Поэтому прочностная проверка ее является целесообразной.

В винтовой паре используется ходовая упорная тропециедальная резьба (Гост 9484-81) со следующими размерами: d = 40 мм; dг = 37 мм; d1 = 33 мм; S = 6 мм.; α = 30о

Схема нагружения домкрата представлена рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Расчетная схема нагружения винтовой пары домкрата

На схеме обозначена нагрузка на домкрат Qу, которая при числе домкратов в конструкции – три, равна распределенному на них общему весу подвижной рамы Qрам.

Однако для обеспечения запаса надежности этого узла расчет его выполним из предположения, что общий вес рамы воспринимается одним домкратом. Тогда расчетная нагрузка на домкрат определится как:

где Кд = 1,2 – коэффициент динамичности нагружения.

Проверим резьбовую пару на самоторможение, т. е. отсутствие опускания гайки под действием нагрузки [__].

Угол подъема резьбы

Угол трения поверхности резьбы

где f = 0,09 – коэффициент трения смазанной винтовой пары.

Т. о. условие самоторможения обеспечивается, (φ > β), т. е. тело винта имеет большое соотношение длины к диаметру, его можно считать тонким стержнем и необходимо выполнить проверку его устойчивости под нагрузкой Qр. д. Выполнить это можно по критическому усилию (т. е. усилию при котором винт теряет устойчивость и прогибается), которая определяется по формуле Эйлера. [__].

где Е = 0,21 . 106 МПа – модуль упругости стали;

l пр. = 0,5 (l - S), – приведенная длина стержня, м.;

J = 0,019 . d14 – момент инерции сечения винта, м.;

l пр. = 0,5 (1000 - 30) = 0,485 ≈ 0,5 м.

Максимально допустимое рабочее усилие на винт

где п = 3,5 – запас прочности

т. к. допустимое усилие на винт значительно превышает действительное усилие – прочностная устойчивость винта достаточна.

Определим минимально необходимую высоту гайки

Число витков гайки из условия контактной прочности

Где [σсм.] = 7,5 н/мм2 – допускаемое напряжение снятия для стали 45 из которой изготовлены винт и гайка домкрата.

Конструктивно принимаем Н = 45 мм.;

Расчет прочности болтов крепления оси блока.

Надежность узла крепления оси верхнего блока механизма подъема определяется прочностью болтов крепления. Поэтому проверим достаточность их прочности.

В качестве болтов крепления в конструкции узла использованы болты М10 (Гост 7805) выполнены из стали 45. Количество болтов в одном узле крепления – 2 шт. Схема нагружения болтов представлена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Расчетная схема нагружения узла крепления оси верхнего блока. Болты вставлены в отверстие с зазором.

Нагрузка на узел крепления определяется как

Рассчитанная нагрузка на стык узла крепления

где Кд = 1,2 – коэффициент динамичности нагрузки.

Сила затяжки болта из условия отсутствия сдвига в стыке определится как [__]

где f = 0,15 – коэффициент трения в стыке;

i = 1 – число стыков.

По найденной силе затяжки рассчитывают болт на совместное действие растяжения и кручения, т. е. по эквивалентному напряжению [__].

Условие прочности

Эквивалентное напряжение:

где – площадь поперечного сечения резьбы по внутреннему диаметру, при d1 = 8,4 мм. для М10.

Допускаемое напряжение

где [n] = 1,2 – коэффициент запаса прочности.

σт = 350 н/мм2 – предел текучести стали 45 [_____].

Т. о. условие прочности болтов выполняется т. е.

Расчет сварного соединения косынок со стаканом подшипниковой опоры поворотной платформы. Прочность данного соединения в значительной мере определяет работоспособность привода и поэтому подлежит прочностной проверке.

Расчетная схема нагружения сварного узла представлена на рисунке 3.4.

Рис. 3.4. Конструкция сварного узла.

Схема соединения – стыковая.

Толщина косынок 10 мм; размер катета швов 3 мм; длина швов 90 мм.

Нагрузка, действующая на сварной узел (на стакан подшипниковый)

Нагрузка действующая на одно сварочное соединение.

Расчетная нагрузка на сварочное соединение.

где К д = коэффициент динамичности нагружения сварочного шва.

Учитывая схему нагружения сварочного узла и соответственно сварочных швов расчет сварных швов выполняем по разрушающим напряжениям срезы, [__].

Условия прочности

Рабочее напряжение среза в сварочном шве:

Допускаемое напряжение при расчете швов. [__].

где [σ] р = 130н/мм – допускаемое напряжение растяжения основного металла (сталь Ст.3). [__].

Т. о. рассчитываемый сварной узел вполне работоспособен и обладает достаточным запасом надежности, т. к. условия прочности выполняются.

Канат, для механизма подъема выбираю по разрывному усилию в соответствии с условием [__].

где пк > 3,5 – коэффициент запаса прочности каната [__], т.11.

По каталогу выбираю канат стальной, двойной свивки, типа ЛК-3, конструкции 6Х26 (1 + 6; 6 + 12) + 1о. с. (Гост 7665), диаметром dк = 8,1 мм, при расчетном пределе прочности проволок 1600н/мм2, площадь сечения всех проволок Fк = 23,8 мм2 и с разрывным усилием 31654н.