V tejto odbornej práci sme sa rozhodli skonštruovať zariadenie nazývane zotrvačný dynamometer, ktoré slúži hlavne na meranie krútiaceho momentu Mk [Nm] a výkonu P [kW] spaľovacieho motora motocykla. Inšpirovala nás najmä záľuba k motocyklom a fakt, že na Slovensku sú len tri skúšobne určené na motocykle.
Cieľom práce je predovšetkým spojiť teoretické vedomosti získané za štyri roky štúdia na Technickej akadémii v Spišskej Novej Vsi v odbore strojárstvo so zameraním na grafické systémy a stavbu automobilov, s praktickými zručnosťami, ktoré sme nadobudli praxou v školských dielňach v Centre odborného vzdelávania COV.
Počas predbežného návrhu konštrukcie sme brali na zreteľ tieto hľadiská:
1.Maximálny merateľný výkon motocykla
Závisí od momentu zotrvačnosti meracieho valca a zotrvačníka. na predbežné zistenie potrebného momentu zotrvačnosti zostavy valca a zotrvačníka sme si na internete vyhľadali podobné projekty, ktoré sa touto problematikou zaoberali a inšpirovali sme sa nimi. Nami navrhnutá valcová skúšobňa by mala byť schopná odmerať maximálny výkon 80 kW.
2. Rozmery našej výkonovej valcovej skúšobne
Porovnaním parametrov niekoľkých druhov motocyklov sme získali predbežnú predstavu o potrebnej veľkosti rámu. Najdôležitejším porovnávaným parametrom bol rázvor kolies a celková dĺžka motocykla.
Rám, ako hlavný nosný prvok musel spĺňať niekoľko podmienok:
Po zvážení týchto podmienok sme sa rozhodli skonštruovať rám z bežne dostupných štvorcových oceľových profilov bežnej akosti. Keďže sme sa snažili pri výrobe minúť čo najmenej financií, a doma sa našlo niekoľko metrov starých štvorcových oceľových profilov o veľkosti 50x50x2 a 30x30x3, rozhodli sme sa skonštruovať rám, kde budú použité práve tieto rozmery. Chýbajúce štvorcové oceľové profily sme podľa potreby dokúpili v miestnej predajni hutného materiálu. Keďže sme chceli dosiahnuť dobrú manipulovateľnosť a uskladniteľnosť zariadenia, rozhodli sme sa rozdeliť rám na 2 samostatné celky, ktoré sa budú dať jednoducho a rýchlo zostaviť s použitím skrutkového spoja.
Návrh rámu sme vytvorili v CAD programe Autodesk Inventor 2015, s ktorým sa stretávame počas štúdia na Technickej akadémií v Spišskej Novej Vsi v odbore strojárstvo. Použitie nástroja generátor rámových konštrukcií, nám umožnilo jednoducho navrhnúť rám a vygenerovať výkres a výkres jednotlivých oceľových profilov.
Po návrhu konštrukcie prišla na rad výroba, ktorú sme realizovali v školských dielňach. Prvým krokom bolo narezanie štvorcových profilov na požadované dĺžky a uhly na píle na rezanie profilov. Potom sme do profilov navŕtali diery podľa výkresovej dokumentácie na stolovej vŕtačke. Ďalším krokom bolo zváranie rámu pomocou MAG technológie v ochrannej atmosfére CO2.
Zotrvačný dynamometer v podstate meria, za aký čas dokáže spaľovací motor motocykla roztočiť zotrvačník s vopred známym momentom zotrvačnosti z voľnobežných otáčok motora na jeho maximálne otáčky. Tieto údaje stačia, aby obslužný program vypočítal a zostrojil graf výkonu a krútiaceho momentu voči otáčkam motora.
Valec a zotrvačník sme sa rozhodli uložiť do ložiskových telies UCP 206 s priemerom d = 30 mm. Pre tento rozmer sme sa rozhodli, nakoľko jedno ložisko sa našlo doma a tak stačilo ostatné ložiská dokúpiť. Následne sme len previedli kontrolu tlaku v ložiskách, či budú vyhovovať z hľadiska namáhania.
Platí pravidlo, čím väčší moment zotrvačnosti má zotrvačník, tým dlhšie trvá spaľovaciemu motoru roztočiť zotrvačník z voľnobežných otáčok motora na maximálne otáčky a teda výsledný graf výkonu a krútiaceho momentu voči otáčkam motora je presnejší a má väčšiu výpovednú hodnotu. Preto sme zotrvačník navrhli čo najväčší vzhľadom na výrobné možnosti, manipulovateľnosť a následnú montáž do rámu. Zotrvačník s hriadeľom sme sa rozhodli spojiť s použitím tlakového spoja s uložením H7/s6, ktoré nám dáva maximálny presah 59 mikrometrov. Následne sme ešte spoj poistili jednozložkovým lepidlom určeným na spájanie lícovaných valcových častí a hriadeľov.
Po meracom valci sa odvaľuje zadné koleso motocykla a merajú sa otáčky a zrýchlenie meracieho valca, ktoré následne spracúva obslužný program. Pri jeho výrobe sme, až na polotovar hriadeľa, použili materiál nájdený v dvore zberných surovín. Merací valec sa skladá z hriadeľa, dvoch prírub a oceľovej rúry. Aby koleso motocykla pri odvaľovaní po valci neprešmykovalo, jeho povrch sme ovrúbkovali. Ďalším krokom bolo na čelnú plochu príruby vyvŕtať dve diery v rozstupe 180º, do ktorých sme následne narezali závit M4, ktorý slúži na upevnenie neodymových magnetov. Presný rozstup sme dosiahli použitím deliaceho prístroja.
Po osústružení oboch prírub a vnútra oceľovej rúry sme dielce zlisovali do jedného celku a rúru poistili jej prizváraním o príruby. Následne sme tento celok upli opäť do sústruhu, a na jedno upnutie sme osústružili všetky vonkajšie valcové plochy, čim sme zabezpečili súosovosť a zminimalizovali hádzanie.
Keďže sme boli pri návrhu zotrvačníka obmedzení výrobnými možnosťami a nutnosťou ľahkej montáže do rámu, nemohli sme skonštruovať príliš ťažký a veľký zotrvačník, ktorý by mal dostatočný moment zotrvačnosti. Nami skonštruovaný zotrvačník ma moment zotrvačnosti I=1,88 kg.m2, čo pre naše potreby nebolo dostačujúce. Pri riešení tohto problému sme mali dve možnosti, použiť 2 alebo viac zotrvačníkov, ktoré by boli spojené s meracím valcom na priamo, alebo spojiť zotrvačník s meracím valcom prevodom do rýchla. Rozhodli sme sa pre druhý variant z ekonomického dôvodu, kde vyrábať ďalší zotrvačník by bolo finančne náročné. Moment zotrvačnosti v takomto prevode stúpa s prevodovým pomerom na druhú mocninu.
V našom projekte sme sa vždy snažili zužitkovať staré diely a materiály, a tak sme sa rozhodli použiť reťazový prevod, v ktorom použijeme starú reťaz z motocykla. Jediným problémom bola výroba reťazových kolies, kde by nám použitie rozety a pastorku z motocykla síce ušetrilo financie ale nebolo by vhodné vzhľadom na nevyhovujúci prevodový pomer. Preto sme sa rozhodli nechať reťazové kolesa vypáliť na CNC laserovom páliacom stroji z materiálu HARDOX, ktorý na tieto účely vyhovuje z hľadiska oteruvzdornosti a pevnosti. Použitie páliaceho CNC stroja nám poskytlo voľnosť navrhnúť si reťazové kolesá, aké sme potrebovali.
Po zvážení potrebného momentu zotrvačnosti sme sa rozhodli pre prevodový pomer i=2/3. Potom prišlo na rad modelovanie obrysu reťazových kolies v CAD systéme vo formáte, ktorý rozoznáva páliaci CNC stroj, tj. formát .dxf. Znova sme použili program Autodesk Inventor 2015 a jeho nástroj generátor reťazových prevodov. Po vložení požadovaného prevodového pomeru sme museli z elektronickej knižnice valčekových reťazí vybrať reťaz s rovnakým rozstupom, šírkou a priemermi puzdier a valčekov ako má naša použitá reťaz z motocykla, ktorú sme sa chystali použiť. Po vložení potrebných parametrov nám program vygeneroval reťazové súkolesie. Ďalej nasledoval export do formátu .dxf a pálenie kolies v miestnej kovospracujúcej firme.
Nakoľko pri odvaľovaní kolesa po meracom valci má motocykel snahu utekať z meracieho valca smerom dopredu, je potrebné tieto nepriaznivé sily zachytiť.Rozhodli sme sa preto skonštruovať držiak, do ktorého pevne zapadne predné koleso a bude motocyklu zabraňovať voči nechcenému posúvaniu. Takisto má držiak nastavovaciu funkciu, kde jeho uloženie v klznom vedení umožňuje meniť jeho vzdialenosť od meracieho valca - možnosť merania rôznych motocyklov s rozličným rázvorom.
Je zrealizované vzhľadom na jednoduchosť výroby zo štvorcových oceľových profilov. Využili sme vlastnosť profilu 30x30x3, ktorého vnútorný rozmer je natoľko veľký, že voľne kĺže po profile 25x25x3.
Je realizovaný elektricky - použitý elektromotor zo stieračov z automobilu VW GOLF 5 točí závitovou tyčou M14, ktorá následne vyvodzuje posuvný pohyb. Motorček so závitovou tyčou je spojený pomocou rúrkovej spojky. Použitie závitovkového prevodu nám poskytlo priaznivý prevod do pomala a teda elektromotor zvláda posúvať držiakom kolesa aj keď je motocykel umiestnený a ukotvený na ráme a v držiaku kolesa. Na druhom konci závitovky je odnímateľná rukoväť, ktorá umožňuje v prípade poruchy posúvať držiak kolesa ručne.
Má tvar žľabu, do ktorého spoľahlivo zapadne väčšina pneumatík používaných na motocykloch. Je skonštruovaný z ohnutého oceľového plechu hrúbky 4 mm a z obdĺžnikových oceľových profilov. Pri návrhu sme si pomohli s programom Autodesk Inventor 2015, kde po vymodelovaní držiaka kolesa v tvare žľabu sme model prekonvertovali na plechovú súčiastku a tým získali rozvitý tvar plechu v stave pred ohýbaním. Pred samotnou výrobou z oceľového plechu sme držiak kolesa na skúšku vytvorili ako kartónový model aby sme sa presvedčili o správnosti rozmerov. Potom stačilo oceľový plech narezať podľa výkresovej dokumentácie a následne ohnúť na ohýbačke v zámočníckej dielni v škole.
Rozhodli sme sa rám nastriekať aby získal odolnosť voči korózii a pekný vzhľad. Prvým krokom bolo dôsledné odmastenie rámu, následné striekanie základnej dvojzložkovej farby s antikoróznymi vlastnosťami a finálne striekanie dvojzložkovou lesklou farbou v 2 vrstvách.
Zotrvačný dynamometer meria, za aký čas dokáže spaľovací motor motocykla roztočiť zotrvačník s vopred známym momentom zotrvačnosti z voľnobežných otáčok motora na jeho maximálne otáčky. Preto, pre spoľahlivé meranie týchto výkonových parametrov spaľovacieho motora musíme poznať tieto 2 veci:
Berieme na zreteľ, že moment zotrvačnosti v prevode do rýchla stúpa s prevodovým pomerom na druhú mocninu. Momenty zotrvačnosti jednotlivých komponentov ako valec, hriadeľ, príruby, zotrvačník nám vypočítal program Autodesk Inventor v záložke fyzikálne vlastnosti. Následne sme si tieto vypočítané momenty zotrvačnosti zapísali, a použili ich pri prvotnom nastavení meracieho programu.
Na meracom valci sú umiestnené 2 neodymové magnety v presnom rozstupe oproti sebe. Po roztočení valca magnety rotujú okolo pevne upevnenej doma navinutej cievky na feritovom jadre. V cievke sa indukuje signál, ktorý následne putuje do počítača cez mikrofónový vstup a je spracovaný meracím programom. Keďže máme magnety dva, jedno celé otočenie valca sa rovná 2 signálom z cievky.
1- jedna otáčka valca, 2- jeden signál z magnetu
Na samotný výpočet a zakreslenie výkonu a krútiaceho momentu do grafu sme použili voľne šíriteľný počítačový program SimpleDyno 6.5. Program je pôvodne určený na meranie výkonu modelov diaľkovo ovládaných RC autíčok, ale po správnom vložení vstupných údajov ho je možné použiť aj na meranie výkonu spaľovacieho motora motocyklov.
Pri prvom spustení programu bolo potrebné doň vložiť niekoľko parametrov, ktoré vyplývajú z konštrukcie a meniť sa už nebudú.
Pred každým meraním motocykla je potrebné vložiť do programu niekoľko údajov ktoré sú špecifické pre každý motocykel:
Prvé meranie prebehlo s motocyklom Honda Varadero XL 125 V, ktorý má 4-taktný dvojvalcový motor so zdvihovým objemom valcov 125 cm3. Podľa technického preukazu má motocykel výkon 11 kW My sme namerali výkon 10,12 kW, táto odchýlka mohla byť spôsobená stratami v hnacej sústave motocykla a nájazdom približne 30000 kilometrov na meranom motocykli.
Modrá čiara - výkon, červená čiara - krútiaci moment, zelená čiara - rýchlosť motocykla
