Modellezések-1 Eneriatároló lendkerék vizsgálata Prof. Dr. Páczelt István Miskolci Egyetem, H-3515 Miskolc-Egyetemváros

Az energiagazdálkodás fontos kérdése, hogy a járművek mind kevesebb tüzelőanyag elégetése mellett üzemeljenek. - a fékezésnél a jármű kinetikai energiájának egy részét villamos energia nyerésére használják fel - azaz a járműbe egy villamos generátort építenek be, ami fékezésnél az akkumulátorokat tölti fel

Egy lehetséges megoldás  A csúcsenergia tárolásához szükséges generátort oly módon képezik ki, hogy a lendítőkerék koszorúján mágnes sarukat helyeznek el, amelyek a tekercsekben elektromos áramot indukálnak.

 A lendítőkerék mechanikai szempontból, két főrészből áll: a koszorúból és a központosító részből, a tárcsából. A tervezésnél kétféle megoldás merült fel: 1. a lendítőkerék koszorúja és a központosító tárcsa azonos minőségű acél, 2. a koszorú acél, a központosító tárcsa alumínium ötvözet.

Eredeti szerkezet végeselemes számítása:

Terhelések  Túlfedésől származó kinematikai teher  Mágnessaruból származó felületen megoszló terhelés 12.2 MPa  Forgásból származó terhelés n=4300 ford/min

Eredmények  Koszorúban a redukált fesz:733.4 MPa  A központosító tárcsa tengely menti szakaszánál a lekerekítéseknél 747 MPa  A túlfedéseknél kialakuló nyomás pozitív (tehát a kétoldalú kapcsolatú modellezés helytálló)

Egyszerűsített modell

 koszorú közepén számított tengelyirányú elmozdulás UA= mm, míg az eredeti modellnél UA= mm  A koszorú alsó pontjaiban fellépő gyűrű feszültség MPa. A részletes végeselemes modellnél MPa Vagyis az egyszerűsített modell alkalmazható!

Alumínium ötvözetű központosító tárcsa figyelembevételével készített egyszerűsített végeselem modell  Anyagállandók:

Eredmények 1. a koszorúban fellépő gyűrűfeszültség értéke nem csökkent jelentősen az eredeti konstrukciónál fellépőhöz képest 699,69 MPa -  MPa. 2. központosító tárcsánál a tengelyhez való csatlakozásnál a redukált feszültség lecsökkent 882 ről 360 MPa-ra, de a folyáshatárt, 146 MPa-t, jóval meghaladja, vagyis az AL-Mg-Si 0.5 ötvözetű anyag nem alkalmas

Konstrukció módosítása és a hozzákapcsolódó egyszerűsített végeselem modellek  Az egyszerűsített modellben a központosító tárcsát vékonyfalú héjjal helyettesítjük, így annak geometriáját a héjrészek középfelületének és falvastagságának megváltoztatásával kívánjuk módosítani.  A központosító tárcsa tengelyhez történő csatlakozásánál fellépő igen magas feszültséget oly módon kíséreljük meg csökkenteni, hogy a tengelyhez történő csatlakozás helyét (Z koordinátáját) lefelé mozdítjuk el

 a központosító tárcsa héjként modellezett részének geometriáját csonkakúp, tóruszalakú héj, lemez, ill. ismételten csonkakúp alkotják  A becsatlakozás Z koordinátája essék egybe a koszorú súlypontjának magasságával

 Vizsgálataink során a szóbanforgó középfelület geometriáját változatlanul hagyva, a falvastagságot változtatva, ún. I. főtípusú módosított konstrukcióhoz jutunk.  A II. főtípusú módosított szerkezet az I. – től abban különbözik, hogy a tengelyhez való csatlakozás Z koordinátáját 20 mm- el felfelé mozdítjuk el, s a csonkakúpról a lemez részhez történő átmenetnél a tóruszalakú héj középfelületének görbületi sugarát 150mm-ről 250mm-re emeljük fel.

 A III. főtípusú konstrukció az előzőektől abban tér el, hogy a tengelyhez való csatlakozási részt nem csonkakúp, hanem tóruszalakú héj alkotja. A becsatlakozás Z koordinátája mm, a tóruszalakú héj görbületi sugara 251 mm.  A IV. főtípusú konstrukciónál a becsatlakozás Z koordinátája mm, a tórusz görbületi sugara 227 mm.

 A különféle konstrukcióra vonatkozó számítási eredmények közül az összehasonlítás céljából kiemeljük az alábbi mechanikai mennyiségeket. Koszorú súlypontjának elmozdulása. A központosító tárcsa befalazásánál (tengelyhez való csatlakozásánál) fellépő redukált feszültség maximuma. A központosító tárcsában fellépő red. feszültség maximuma. A koszorúban ébredő gyűrű feszültség maximuma.

 I. főtípusú módosított konstrukciónál a befalazásnál 24 mm-es, a tórusznál 14 mm-es majd a lemeznek a koszorúba csatlakozásnál 18.5 mm-es vastagságot választva, ill. ezeket változtatva 24;18.5;18.5, 14;14;14, 18.5;18.5;18.5 falvastagsági variációkat tartalmazó altípusok, variációk jelentek meg. Elmozdulás szempontjából a legkedvezőbbnek a 2. eset mutatkozott. Ugyanakkor a központosító tárcsa csonkakúp- tórusz csatlakozásánál nagy feszültség csúcs jelenik meg. Vagyis a központosító tárcsa anyagkihasználása egyenetlen, távol van az „egyenszilárdsági állapot”-tól

 A II. főtípusú módosított konstrukciónál a befalazási pont emelése az elmozdulási állapot csekély javulását okozza, a központosító tárcsa továbbra is távol van az egyenszilárdsági állapottól. A legkedvezőbb esetet a 14 mm-es falvastagságú szerkezet nyújtja az elmozdulási állapot szempontjából. Ugyanakkor a központosító tárcsán 732 MPa redukált feszültség maximum lép fel.

II. Főtípusú szerkezet 2. variációja

 A III. főtípusú konstrukció az előzőektől abban tér el, hogy a tengelyhez való csatlakozási részt nem csonkakúp, hanem tóruszalakú héj alkotja. A becsatlakozás Z koordinátája mm, a tóruszalakú héj görbületi sugara 251 mm.  A IV. főtípusú konstrukciónál a becsatlakozás Z koordinátája mm, a tórusz görbületi sugara 227mm.

 A III. és a IV. főtípusú szerkezeteknél a tóruszalakú héjjal történő becsatlakozás a központosító tárcsa feszültségállapotának lényeges javulásához vezet, továbbá a koszorú középpontjának függőleges elmozdulása lefelé irányul.  Az alábbi falvastagsági variációkat vizsgáljuk:  1. var:24;14;18.5,  2. var:18.5;18.5;18.5,  3. var:24;24;24,  4. var:30;30;30.

Elmozdulások a gyűrű súlypontjában IV. főtípusú szerkezet  1. var. 2. var. 3. var. 4. var.  UR [mm]  UA [mm]   Theta*1000 [rad]

Redukált fesz, IV. típ. szerkezet  1. var. 2. var. 3. var.4. var.  Közp. tárcsán a befalazásánál  Közp. tárcsán a maximum

Gyűrű feszültség maximum [ MPa] IV. főtípusú szerkezet  1. var. 2. var. 3. var4. var Optimális megoldás a IV. főtip, 4. variánsa

IV. Főtípusú szerkezet 4. variációja

Összehasonlítás az eredeti konstrukcióval:  Koszorúban a gyűrűfeszültség 50 MPa-al csökkent  A Központosító tárcsában a red. fesz. maximum 820 MPA-ról 445 MPa ra csökkent

 A 950 MPa –os rugalmassági határra vonatkozó biztonsági tényező  Eredetinél 1,16; opt. 2,13 (közp. tárcsában)  A koszorúban: Eredetinél 1,36; opt. 1,45

Következtetések  A tervezés célja az optimumot megközelítő konstrukció megvalósítása.  Ez az eredeti megváltoztatásával érhető el.  Az optimum megkeresésére célszerű minél hatékonyabb modellt felhasználni. Nem mindig a „legpontossabb”” a célravezető. Esetünkben a héj+gyűrű mint tartó elem együttes alkalmazása hatékony, költségigényes számításokat tesz lehetővé.  A kapott eredményre alapozottan kell majd a gépszerkezettani pontos kialakítást elvégezni és ezt egy pontos modellel végigszámolni, majd az eredmények birtokában a végső döntést meghozni.

 Köszönöm megtisztelő figyelmüket!