Innowacyjna metodyka projektowania części samochodowych

Transkrypt

1 Leon Kukiełka 1, Radosław Patyk 2, Agnieszka Kułakowska 3, Krzysztof Kukiełka 4, Katarzyna Gotowała 5 Politechnika Koszalińska Innowacyjna metodyka projektowania części samochodowych Wstęp Współczesne firmy produkujące części samochodowe, aby sprostać wymogom rynku i obowiązującemu prawu muszą spełnić wiele kryteriów. Aktualnie najistotniejszym kryterium (zgodnie z intencją Unii Europejskiej) jest wytwarzanie wyrobów przede wszystkim ekologicznych [10]. W planie działania na rzecz zasobooszczędnej Europy wyznaczono cel, aby na rok 2020 zapewnić obywatelom i organom publicznym odpowiednie bodźce skłaniające do wyboru najbardziej zasobooszczędnych produktów, dzięki odpowiednim sygnałom ekonomicznym i zrozumiałym informacjom środowiskowym. W planie działania uznano również, że rynek wewnętrzny odgrywa ważną rolę pod względem nagradzania produktów charakteryzujących się oszczędnym zużyciem zasobów. Udział w rynku produktów charakteryzujących się oszczędnym zużyciem zasobów jest aktualnie na niskim poziomie, pomimo możliwości dostarczania takich produktów przez przemysł i rosnącego popytu wśród konsumentów. Podstawowym problemem współczesnych technik wytwarzania części samochodowych jest kształtowanie zasobooszczędnego wyrobu o z góry określonych właściwościach eksploatacyjnych. Na jakość części samochodowych największy wpływ ma warstwa wierzchnia (skrót: WW) i jej właściwości. Podczas obróbki wykończeniowej zostają ostatecznie ukształtowane podstawowe właściwości warstwy wierzchniej, które w określonych warunkach eksploatacyjnych decydują o trwałości i niezawodności części. Najczęściej, trwałość i niezawodność części samochodowych określa się w badaniach eksperymentalnych, które są czaso- i kosztochłonne. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie nowej metodyki określania trwałości części, która wykorzystuje numeryczne metody symulacji komputerowej, oparte na metodzie elementu skończonego. Przedstawiono zastosowanie tej metodyki na przykładzie piasty koła tylnego samochodu Volkswagen Passat. Inspiracją do badań tego problemu i napisania niniejszego artykułu były stwierdzone przypadki zbyt niskiej trwałości części zamiennych dostarczonych przez producenta niezwiązanego z producentem samochodu, wynikająca ze złej konstrukcji części i technologii jej wytwarzania. Trwałość części ma również związek z ich logistyką. Nowoczesna metodyka projektowania części i wdrażania do produkcji W ostatnich latach w przemyśle samochodowym nastąpiła wyraźna zmiana w metodach prowadzenia prac konstrukcyjnych, technologicznych i kontroli jakości. Nastąpiło to głównie z powodu rozwoju sprzętu komputerowego i oprogramowania. Aktualnym trendem w inżynierii produkcji jest integracja wszystkich narzędzi wspomagających współczesnego inżyniera tj. systemów CAD/CAE/CAM/CAQ/CAP oraz inżynierii odwrotnej. Elementem integrującym poszczególne systemy jest model bryłowy części, zespołu lub urządzenia. Jednak, pomimo mnogości dostępnych rozwiązań, na rynku brakuje rozwiązania dominującego, 1 Prof. dr hab. inż. L. Kukiełka, profesor zwyczajny, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów. 2 Dr inż. R. Patyk, adiunkt, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów. 3 Dr inż. A. Kułakowska, adiunkt, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów. 4 Dr inż. K. Kukiełka, adiunkt, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Produkcji. 5 Mgr inż. K. Gotowała, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów. Logistyka 6/

2 co może być dowodem na to, że wciąż brakuje optymalnego systemu informatycznego wspomagającego współczesnego inżyniera. Aktualne podejście do procesu projektowania i wdrażania do produkcji części można przedstawić za pomocą schematu (Rys. 1). Rysunek 1. Schemat procesu projektowania i wdrażania produkcji [9] Założenia projektowe Założenia projektowe to pierwszy etap procesu projektowania. Założenia powinno się opracować jak najbardziej szczegółowo z dużą dokładnością, ponieważ stanowią one główne źródło informacji przy sporządzaniu dokumentacji projektowej. W założeniach projektowych szczegółowo określa się przedmiot projektu i warunki jakie powinien spełniać. Poza tym założenia powinny zawierać informacje o materiałach, wielkości i rodzaju planowanej produkcji. Z reguły na etapie tworzenia założeń projektowych powstają pierwsze szkice oraz rysunki, które z reguły nie są formą finalną produktu. Na tym etapie powstaje wstępny model CAD. Modelowanie i symulacja Modelowanie to tworzenie modeli układów rzeczywistych, z uwzględnieniem żądanej dokładności i dopuszczalnych kosztów modelowania. Symulacja jest to odtwarzanie przebiegu badanego zjawiska lub procesu (z założoną dokładnością) na podstawie jego modelu. Aktualnie w technice najpowszechniej stosowaną metodą modelowania jest modelowanie fizyczne, matematyczne oraz numeryczne natomiast najczęściej stosowaną techniką symulacji jest symulacja komputerowa. Buduje się wówczas modele ciągłe lub dyskretne a następnie poddaje się je procesowi symulacji. Aktualnie duże uznanie w środowiskach inżynierskich znajdują narzędzia wspomagające symulacje zachowania części maszyn (a zatem wspomagają ich projektowanie) wykorzystujące Metodę Elementu Skończonego (MES). MES może występować w różnych ujęciach: energetycznym lub wariacyjnym [4, 5]. W każdym z przypadków podstawowe zależności wynikają z zasady minimów odpowiednich funkcjonałów. Istotą Metody Elementu Skończonego (MES) jest podział obszaru na skończoną liczbę elementów połączonych ze sobą za pomocą skończonej liczby węzłów [2] W węzłach występują siły węzłowe powstające w wyniku przemieszczenia, które dają równowagę węzłów, elementów i całego układu. Węzły ulegają przemieszczeniom na podstawie, których obliczane są odkształcenia a następnie na podstawie modelu materiałowego naprężenia we wszystkich punktach ciała. Metoda elementu skończonego i metoda wariacyjna są bardzo dobrymi metodami analiz procesów, lecz wymagają znajomości skomplikowanego aparatu matematycznego oraz różnorodnych dyscyplin nauki. Proponowany nowoczesny algorytm projektowania części samochodowych przedstawiono na Rys Logistyka 6/2014

3 Rysunek. 2. Schemat nowoczesnej metodyki projektowania części samochodowych. Źródło: Opracowanie własne. W pracy [8] przedstawiono optymalizację topologiczną na przykładzie widłaka wałka przegubowego, wytrzymałość statyczną na przykładzie wału korbowego silnika w pracy [7], natomiast dynamiczne obliczenia wytrzymałościowe na przykładzie zaczepu holowniczego, obliczenia wytrzymałościowe uwzględniające wpływ ciepła, obliczenia oraz termiczne obliczenia wytrzymałościowe nagrzewającej się tarczy hamulcowej podczas hamowania przedstawiono w pracy [6]. W niniejszej pracy przedstawiono obliczenia odporności na zużycie zmęczeniowe, które są uzupełnieniem analiz statycznych. Obliczenia odporności części na zużycie zmęczeniowe Części poddane wielokrotnym obciążeniom nieprzekraczającym obciążeń dopuszczalnych mogą ulegać zniszczeniu przejawiającemu się w postaci niespodziewanego pęknięcia, następującego po określonej liczbie zmian obciążenia. Takiego rodzaju wyczerpywanie się nośności materiału obciążonego siłami okresowo zmiennymi nazywa się zmęczeniem materiału. Jedną z charakterystycznych cech pęknięcia zmęczeniowego jest to, że nawet w przypadku metali mających przy obciążeniach statycznych dobre właściwości plastyczne przełom zmęczeniowy nie wykazuje wyraźnej deformacji plastycznej w skali mikroskopowej. Ze względu na rosnącą konkurencyjność w przemyśle samochodowym, analizy zmęczeniowe są koniecznością. Dzięki poprawnemu oszacowaniu trwałości konstrukcji można zaoszczędzić znaczne koszty związane z remontami, zaplanować przeglądy a przede wszystkim podnieść renomę firmy. Dotychczas trwałość konstrukcji najczęściej określano eksperymentalnie, co wymagało dużego zaangażowania finansowego i czasowego zleceniodawcy. Aktualnie dużą popularność w analizach konstrukcji maszyn zyskują metody komputerowe symulacji zjawisk fizycznych. Takie podejście znacznie skraca czas projektowania oraz zmniejsza koszty maszyn i urządzeń. Zużycie zmęczeniowe jest rodzajem zużycia, w którym występuje miejscowa utrata spójności i związane z nią ubytki materiału spowodowane cyklicznym oddziaływaniem obciążeń nieprzekraczających statycznych obciążeń dopuszczalnych. Występują dwa rodzaje zużycia zmęczeniowego: zużycie zmęczeniowe powierzchniowe oraz zużycie zmęczeniowe postaciowe [1, 3]. Zużycie zmęczeniowe powierzchniowe występuje w parach kinematycznych, natomiast zużycie postaciowe występuje w częściach obciążonych cyklicznym momentem gnącym i/lub skręcającym. Przykłady obliczeń odporności części na zużycie zmęczeniowe Analizą zmęczeniową objęto piasty koła tylnego do samochodu VW Passat wytwarzanego przez trzech producentów A, B i C. Piasta koła jest to element pozwalający na połączenie łożyska koła z kołem pojazdu, umożliwiając mu tym samym ruch obrotowy. Piasta wraz z łożyskiem jest montowana na wale lub osi. Obecnie produkowane piasty zintegrowane są na stałe z zespołem łożysk, najczęściej są to łożyska kulkowe skośne dwurzędowe, które mogą też posiadać w swej budowie czujniki układu ABS. Stałe połączenie piasty koła wraz z łożyskiem pozwoliło na uproszczenie procesu jej wymiany, zmniejszenie jej masy (tym samym, niekorzystnej masy nieresorowanej) poprzez ograniczenie liczby zastosowanym elementów. Wadą zintegrowanej budowy piast kół jest brak możliwości wymiany samej piasty lub samego łożyska, co powoduje Logistyka 6/

4 wzrost kosztów naprawy w przypadku ich uszkodzenia, bądź zużycia. Widok typowej piasty koła tylnego w samochodzie osobowym została przedstawiona na Fot. 1. Pomiary geometryczne przeprowadzone w Katedrze Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Mechanicznym Politechniki Koszalińskiej wykazały, że najistotniejszą różnicą geometryczną z punktu widzenia wytrzymałości i trwałości analizowanych piast jest promień r zaokrąglenia przejścia tarczy (do której mocowane jest koło) w czop, na którym montowane jest łożyko (rys. 3). Wyniki pomiarów są następujące: r=4,4 mm (producent A), r=3,7 mm (producent B) i r=1,5 mm (producent C). Fotografia 1. Widok typowej piasty koła tylnego samochodu VW Passat: 1 - tarcza piasty, 2 - łożysko piasty, 3 - otwory gwintowane pod śruby koła, 4 - pierścień centrujący koło na piaście, 5 - otwory zmniejszające masę piasty. r Rysunek 3. Model CAD piasty Źródło: opracowanie własne Obliczenia numeryczne wykonano w celu oszacowania rozkładu naprężeń zredukowanych według Hubera-Misesa-Hencky'ego (skrót: HMH) oraz wytrzymałości zmęczeniowj (trwałości) części w piastach koła wykonanych przez producentów A, B i C. We wszystkich symulacjach założono identyczny, jednorodny, izotropowy materiał części o parametrach odpowiadających stali sprężynowej 65G. Do symulacji wykorzystano opracowane modele bryłowe CAD. Według danych producenta, dla samochodu osobowego VW Passat B5 (typ 3B) ( ) Sedan dopuszczalna masa całkowita w zależności od wersji może wynosić m= kg. Przyjmując rozkład masy 60% przód i 40% tył, statyczne obciążenie na jedno koło tylne wynosi od 350 kg do 412 kg masy. Zmienne, dynamiczne obciążenia pogarszają warunki 171 Logistyka 6/2014

5 działania łożysk tocznych, skracając ich żywotność. Dlatego konieczne jest uwzględnienie tych niekorzystnych zjawisk, poprzez dodanie współczynnika zmiennych obciążeń dynamicznych fd zwiększającego wymaganą nośność łożysk. Wówczas obciążenie łożyska oblicza się według wzoru: Pd = P fd. Do obliczeń numerycznych przyjęto maksymalne przewidziane przez producenta obciążenie styczne na jedno koło tylne równoważne masie m=412 kg. Zastosowano przypadek dla współczynnika fd = 2,5, odpowiadający pracy przy dużych obciążeniach z uderzeniami. Dla takiego przypadku wartość obciążenia dynamicznego na łożysko założono Pd=10300 N. Na rysunku 4 przedstawiono model dyskretny piasty koła wraz z nałożonymi warunkami brzegowo-początkowymi. a) b) Rysunek 4. Model dyskretny piasty koła tylnego (a) wraz z nałożonymi warunkami brzegowo-początkowymi (b): liczba węzłów LW=292121, liczba elementów skończonych LE= Na rysunku 5 przedstawiono wyniki obliczeń stanu naprężeń zredukowanych według Hubera-Misesa- Hencky'ego (skrót: HMH), otrzymanych po analizach numerycznych z zastosowaniem MES w programie ANSYS, natomiast na rysunku 6 - wyniki symulacji procesu zmęczenia części trwałość części. a) b) c) Rysunek 5. Stan naprężeń zredukowanych HMH w piaście koła tylnego: a) producent A, b) producent B, c) producent C. Logistyka 6/

6 a) Logistyka - nauka Obciążenie 10,3 kn b) Obciążenie 10,3 kn c) Obciążenie 10,3 kn Rysunek 6. Trwałość (liczba cykli obciążenia) oraz krzywa zużycia zmęczeniowego piasty koła tylnego produkowanych przez producenta A (a), producenta B (b) i producenta C (c). Źródło: Opracowanie własne. W tabeli 1 zestawiono wyniki symulacji komputerowych σz,max - maksymalnych naprężeń zredukowanych oraz nmin minimalnej liczby cykli zmian obciążenia do zniszczenia. 173 Tabela 1. Zestawienie wyników analiz numerycznych. Producent A Producent B Producent A σz,max=142,4 MPa nmin= cykli Źródło: opracowanie własne. σz,max =156,09 MPa nmin= cykli Logistyka 6/2014 σz,max =217,72 MPa nmin= cykli

7 Weryfikacja eksperymentalna Według danych klientów (wywiadu) podczas normalnej eksploatacji sprawnych technicznie pojazdów marki VW Passat B5, po zamontowaniu piasty tylnej koła pochodzących od producenta A, przejechano dystans około 1700 km (Fot. 2a) oraz około 1800 km (Fot. 2b), po którym nastąpiło urwanie koła. W obydwu analizowanych przypadkach przyczyną przedwczesnego zużycia - urwania koła było zużycie zmęczeniowe czopa piasty koła, którego charakterystyczny złom jest widoczny na zdjęciu. a) b) Fotografia 2. Zdjęcia pękniętych półosi piasty tylnej koła po przejechaniu 1700 km (a) i 1800 km (b) produkowanych przez producenta A. Wnioski W wyniku przeprowadzonej analizy stanu wiedzy oraz własnych badań eksperymentalnych i numerycznych opracowano koncepcję innowacyjnego algorytmu energooszczędnego i ekologicznego projektowania części samochodowych. Syntetycznie przedstawiono poszczególne etapy projektowania oraz przykłady obliczeń odporności na zużycie zmęczeniowe oraz wyciągnięto następujące wnioski: 1. Promień zaokrąglenia r przejścia powierzchni tarczy w czop ma bardzo istotny wpływ na wartość naprężeń zredukowanych, które koncentrują się na powierzchni przejścia i na wytrzymałość zmęczeniową piasty w trakcie eksploatacji. 2. Opracowana autorska aplikacja w systemie ANYS pozwala na kopleksową analizę zjawisk fizycznych zachodzących podczas eksploatacji piasty. Największe naprężenia zredukowane HMH wynoszące σz,max =217,72 MPa występują w piaście producenta A (r=1,5 mm), natomiast wytrzymałość zmęczeniowa jest najmniejsza i wynosi zaledwie nmin= cykli. Wzrost promienia do wartości r=3,7 mm, spowodował zmniejszenie naprężeń do wartości σz,max =156,09 MPa oraz wzrost wytrzymałości zmęczeniowej do nmin= cykli (producent B). Najmniejszą wartość naprężeń wynoszącą σz,max =156,09 MPa oraz jednocześnie największą wytrzymałość zmęczeniową nmin= cykli mają piasty producenta C (r=4,4 mm). 3. Wyniki obliczeń numerycznych są zbieżne z wynikami otrzymanymi eksperymentalnie, co świadczy o poprawności proponowanej metodyki, opracowanych algorytmach i metodach obliczeń numerycznych. W celu przeliczenia liczby przejechanych kilometrów na liczbę cykli do chwili zniszczenia (trwałość) przeprowadzono dodatkowe obliczenia analityczne wykorzystując następujące dane. Samochód osobowy VW Passat B5 standardowo wyposażony jest w ogumienie 195/65/R15, dla którego średnica koła wynosi d= 62 cm, czyli obwód koła wynosi L=1,94 m. Zatem po przejechaniu bez poślizgu dystansu 1700 km, koło wykona ok. nmin = obrotów (cykli zmian obciążenia), natomiast po przejechaniu dystansu 1800 km - nmin = obrotów. Według obliczeń komputerowch, dla piasty producenta A stwierdzono trwałość ok. nmin= cykli. 4. Proponowana metodyka oraz opracowana oplikacja MES w systemie ANSYS może być zastosowana do prognozowania trwałości części o znanej geometrii i technologii wytwarzania lub do okre- Logistyka 6/

8 ślenia wymaganej geometrii części i technologii jej wytwarzania dla zapewnienia wymaganej, narzuconej z góry trwałości. Adresatami metody mogą być konstruktorzy części samochodowych oraz potencjalni producenci części zamiennych oraz ich dystrybutorzy. Streszczenie W pracy przedstawiono innowacyjną metodę projektowania części samochodowych i wdrażania ich do produkcji. Opracowana autorska aplikacja numeryczna wykorzystująca Metodę Elementu Skończonego w systemie ANSYS pozwala prognozować trwałość zmęczeniową części. Podano przykładowe wyniki obliczeń numerycznych trwałości piasty koła tylnego samochodu VW Passat. Wyniki obliczeń numerycznych zweryfikowano eksperymentalnie. Innovative design methodology of auto parts Abstract The paper presents an innovative method of design and implementation of auto parts for production. Application developed using Finite Element Method in the ANSYS system allows to predict the fatigue life of auto parts. Examples of the results of numerical calculation the fatigue of the hub of the rear wheel of the VW Passat were presented. The results of numerical calculations were verified experimentally. Literatura [1] Buch A.: Zagadnienia wytrzymałości zmęczeniowej, Warszawa, PWN [2] Dacko M., Borkowski W., Dobrociński S., Niezgoda T., Wieczorek M.: Metoda Elementów Skończonych w mechanice konstrukcji, Arkady, Warszawa 1994r. [3] Hebda M., Wachal A.: Trybologia. WNT, Warszawa, [4] Kukielka L., Geleta K., Kukielka K.: Modelling of Initial and Boundary Problems with Geometrical and Physical Nonlinearity and its Application in Burnishing Processes. Steel Research International Special Edition, 2012, Publishing Company Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim ISBN , pp [5] Kukielka L., Geleta K., Kukielka K.: Modelling and Analysis of Nonlinear Physical Phenomena in the Burnishing Rolling Opereation with Electrical Current. Steel Research International Special Edition, 2012, Publishing Company Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim ISBN , pp [6] Kukiełka L., Patyk R.: Nowoczesna metodyka projektowania części samochodowych, rozdział w książce pt. Ekologiczne aspekty stosowania nowych technologii w transporcie, Politechnika Koszalińska, 2012, s [7] Kułakowska A., Patyk R.: Numeryczna analiza drgań układu korbowo-tłokowego, Autobusy. Technika. Eksploatacja. Systemy transportowe ISSN , nr 5 r. 2011, s [8] Kułakowska A., Patyk R.: Topologiczna optymalizacja konstrukcji na przykładzie widłaka wału przegubowego. Autobusy Technika. Eksploatacja. Systemy transportowe, ISSN , nr 5/2012, s [9] Pawłowski T., Szczepaniak J.: Współczesna metodyka projektowania i weryfikacji konstrukcji maszyn rolniczych. Inżynieria Rolnicza. Nr 14 (74), 2005, s [10] KOMUNIKAT KOMISJI DO PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY: Tworzenie jednolitego rynku dla produktów ekologicznych. Poprawa sposobu informowania o efektywności środowiskowej produktów i organizacji. Bruksela, dnia , COM(2013) 196 final. 175 Logistyka 6/2014