Ispas Bazele Proiectarii Subansamblurilor Mecanice

BAZELE PROIECTRII SUBANSAMBLURILOR MECANICEProf. dr. ing. Nicolae ISPAS

VERSIUNEA IUNIE 2008

B A Z E L E

P R O I E C T R I I

S U B A N S A M B L U R I L O R

M E C A N I C E

CUPRINSOBIECTIVELE DISCIPLINEI....................................................................................................................................... 3 1. PROCESUL DE PROIECTARE IN INGINERIA MECANICA ............................................................................. 4 1.1. DEFINIII I TENDINE............................................................................................................................................. 4 1.2. METODICA PROIECTRII .......................................................................................................................................... 4 1.3. CORELAIA PROIECTARE - CALITATE ....................................................................................................................... 5 1.4. OPTIMIZAREA (ASISTAT) A ACTIVITII DE PROIECTARE....................................................................................... 6 2. NOTIUNI DE TEORIA SISTEMELOR .................................................................................................................... 7 2.1 NOTIUNEA DE SISTEM ............................................................................................................................................... 7 2.2 NOIUNI PRIMARE DESPRE TEORIA SISTEMELOR (TS) ............................................................................................... 8 2.3 NOIUNEA DE SISTEM AUTOMAT ............................................................................................................................. 10 2.4 STRUCTURI DE SISTEME AUTOMATE SI ELEMENTE COMPONENTE ............................................................................ 10 2.5 CLASIFICAREA SISTEMELOR .................................................................................................................................... 11 2.7 SEMNALE ................................................................................................................................................................ 13 2.7.1 Generalitati .............................................................................................................................................. 13 2.7.2 Tipuri de semnale..................................................................................................................................... 14 2.7.3 Semnale de proba (standard) ................................................................................................................... 16 3. BLOCURI DE BAZ PENTRU MODELAREA SISTEMELOR IN INGINERIE ............................................. 22 3.1 OBIECTIVE.............................................................................................................................................................. 22 3.2. COMPONENTE ELECTRICE ...................................................................................................................................... 22 3.2.1.Conceptele de tensiune electric i curent electric .................................................................................. 22 3.2.2. Conceptele de lucru electric, putere i energie n sistemele electrice..................................................... 24 Rezistena electric ........................................................................................................................................... 25 Condensatorul................................................................................................................................................... 26 Inductorul.......................................................................................................................................................... 28 IMPORTANT DE REINUT........................................................................................................................................ 29 3.3. IMPEDANA I DIAGRAMELE BLOC OPERAIONALE ................................................................................................ 30 3.3.1 Impedana................................................................................................................................................. 30 3.3.2 DIAGRAME BLOC OPERAIONALE..................................................................................................... 31 3.3 COMPONENTE MECANICE N MICARE DE TRANSLAIE (N FAZA DE EDITARE) ....................................................... 33 3.3.1 Conceptele de micare i de for (n faza de editare) ............................................................................. 33 3.3.2 Amortizorul mecanic (n faza de editare)................................................................................................. 33 3.3.3 Masa n micare de translaie (n faza de editare)................................................................................... 33 3.3.4 Resortul elicoidal (n faza de editare) ...................................................................................................... 33 3.4 ANALOGII NTRE ELEMENTELE ELECTRICE I CELE MECANICE (N FAZA DE EDITARE) ............................................ 33 3.5 COMPONENTE MECANICE N MICARE DE ROTAIE (N FAZA DE EDITARE) ............................................................. 33 3.5.1 Elemente mecanice n micare de rotaie (n faza de editare).................................................................. 33 3.5.2 Amortizorul cu elemente n micare de rotaie (n faza de editare) ......................................................... 33 3.5.3 Masa n micare de rotaie (n faza de editare)........................................................................................ 33 3.5.4 Resortul elicoidal cu elemente n micare de rotaie (n faza de editare) ............................................... 33 3.6 COMPONENTE FLUIDICE (N FAZA DE EDITARE) ...................................................................................................... 33 3.7 COMPONENTE TERMICE (N FAZA DE EDITARE) ...................................................................................................... 33 3.8 ANALOGII (N FAZA DE EDITARE) ........................................................................................................................... 33 4. MODELAREA I SIMULAREA SUBANSAMBLURILOR MECANICE N SIMULINK ............................... 34 4.1. RULAREA UNUI MODEL SIMULINK DEMONSTRATIV ............................................................................................ 34 Descrierea modelului ........................................................................................................................................ 35 Alte demonstraii ............................................................................................................................................... 36 4.2. CREAREA MODELELOR SIMULINK....................................................................................................................... 36 4.3. RULAREA SIMULRILOR N SIMULINK ................................................................................................................ 41 5. MODELAREA SISTEMELOR DE INJECIE ...................................................................................................... 44 5.1 POSIBILITI DE SIMULARE A SISTEMELOR DE INJECIE .......................................................................................... 44 5.2 STUDIUL PRIN SIMULARE A UNOR PARAMETRII AI INJECIEI ............................................................. 45 5.3 CONCLUZII. .................................................................................................................................................... 49 6. EXEMPLU DE PROIECTARE FUNCIONAL 1 AMBREIAJ MECANIC .................................................. 50

1

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

6.1 EXEMPLU DE PROIECTARE DIMENSIONAL (CONVENIONAL) ............................................................................... 50 Alegerea tipului constructiv .............................................................................................................................. 50 Alegerea valorilor principalilor parametri constructivi i de funcionare........................................................ 50 Dimensionarea suprafeelor de frecare ............................................................................................................ 51 Calculul prii conductoare ............................................................................................................................ 52 Calculul prii conduse ..................................................................................................................................... 54 6.2 PROIECTAREA FUNCIONAL A AMBREIAJULUI MECANIC UTILIZND SIMULINK ................................................. 55 7. EXEMPLU DE PROIECTARE FUNCIONAL 2 SUSPENSIE ..................................................................... 63 7.1 PROIECTARE FUNCIONAL N AMESIM ....................................................................................................... 63 8. EXEMPLU DE PROIECTARE FUNCIONAL 3. MODELAREA CU ADVISOR (ADVANCED VEHICLE SIMULATOR) ................................................................................................................................................................ 85 9 OPTIMIZAREA PARAMETRILOR DE PROIECTARE AI UNOR SUBANSAMBLURI PRIN SIMULAREA PARAMETRIC A PARCURGERII UNUI CICLU TRANZITORIU, DE CTRE UN AUTOVEHICUL, FOLOSIND ADVISOR 2002. ........................................................................................................................................ 97 BIBLIOGRAFIE .......................................................................................................................................................... 107

2

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

OBIECTIVELE DISCIPLINEICursul i propune evidenierea elementelor de baz ale proiectrii subansamblurilor mecanice, utilizate la autovehicule rutiere. Principiile proiectrii de baz sunt corelate direct cu funciile respectivelor subansamburi specifice. Un obiectiv important este legat de sublinierea caracteristicilor eterogene ale funciilor diverselor subansambluri, mecanice cel puin la origine. Lucrrile de aplicaii i proiectele au drept scop prezentarea construciei, a modului de funcionare i de reglare a subansamblurilor prezentate la curs.

3

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

1. Procesul de proiectare in ingineria mecanica1.1. Definiii i tendineActivitatea de proiectare - totalitatea activitilor de pregtire a transpunerii n realitate, printr-o tehnologie de execuie adecvat, a unor idei, principii, teme, n vederea satisfacerii cerinelor beneficiarilor/utilizatorilor. Tendine n evoluia unor parametri de calitate i performan cu caracter general: creterea gradului de complexitate cantitativ i calitativ a mainilor i sistemelor; necesitatea asigurrii unor parametri funcionali optimi (fore, presiuni, turaii, temperaturi, precizie) n scopul reducerii consumului de combustibil, a pierderilor energetice, greutii i dimensiunilor; elaborarea i utilizarea unor materiale noi, cu caracteristici superioare de rezisten i prelucrabilitate, forme noi de semifabricate, profile, formate, spume, composite, materiale cu memoria formei; utilizarea metodelor moderne de analiz i calcul, cu aprecieri realiste i probabiliste n comportarea sistemelor; utilizarea unor tehnologii de mare productivitate i precizie, monitorizarea acestora, dezvoltarea microtehnologiilor i nonotehnologiilor; tipizarea i standardizarea componentelor mainilor, cu diversificare prin compunere de elemente tipizate; utilizarea unor sisteme governor pentru monitorizarea parametrilor funcionali; proiectare estetic, ergonomic i ecologic.

1.2. Metodica proiectriiPresupune, n general, parcurgerea urmtoarelor secvene: Identificarea necesitii

Definirea obiectivelor proiectului

Concepia structural a proiectului Schie preliminare

Mecanismul de funcionare cinematic i dinamic al componentelor Modelare. Proceduri de asamblare ntocmirea desenului de ansamblu i a desenelor de execuie

4

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Analiza eficienei i performanelor obiectivului Analiza economic. Analiza valorii

Execuie prototip. Teste preliminare Finalizare proiect. Lansare n producie

Fig. 1.1. Etapele activitii de proiectare.

1.3. Corelaia proiectare - calitateCalitatea - gradul de utilitate social a unui produs, msura n care acesta, prin ansamblul caracteristicilor sale - fizice, funcionale, modul de prezentare, preul, prestigiul firmei productoare, servicii dup vnzare - satisface nevoile pentru care a fost creat i respect restriciile impuse de interesele generale ale societii privind eficiena social - economic, protecia mediului social i natural. Calitatea proiectat - msura n care produsul proiectat satisface n totalitate cerinele beneficiarului i ofer, n acelai timp, posibilitatea utilizrii n procesul de fabricaie a unor procedee tehnologice eficiente i economice.

Fig. 1.2. Conceptul de optimizare a calitaii produselor (1 satisfacerea optim a cerinelor de calitate; 2 nesatisfacerea cerinelor; 3 neconformitai; 4 inutilitai proiectate; 5 supracalitate (costuri inutile); 6 - cerine neproiectate dar realizate; 7 - cerine nesolicitate, neproiectate dar realizate).

5

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

1.4. Optimizarea (asistat) a activitii de proiectare

CALCULATOR FUNCIUNI Banc de date Memorie extern (CD, diskete, casete, benzi magnetice) Memorie intern (disc dur) Baze de calcul Programe specializate de proiectare: Mechanical Desktop, Solid Works, Catia, Inventor Grafic asistat Reprezentri grafice n 2D/3D: AutoCAD, Mechanical Desktop, Solid Works, Catia, Inventor

Fig. 1.3. Funciuni de baz ale calculatorului n activitatea de proiectare.

Fig. 4. Conceptul de optimizare a activitii de proiectare (1 zona de proiectare optim; 2 date neutilizate; 3 neconformitai; 4 calcule inutile; 5 grafic pe baz de calcul fr banc de date; 6 date utilizate n reprezentarea grafic fr baze de calcul; 7 grafic fr banc de date i baze de calcul). 6

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

2. Notiuni de teoria sistemelor2.1 Notiunea de sistemDefiniie - Prin sistem se nelege o unitate relativ delimitata fata de mediu printr-o structura intern. Sau: - Prin sistem se nelege un ansamblu de elemente intre care exista una sau mai multe relaii afara de relaia conform creia elementele aparin ansamblului (lexiconul tehnic romn) Exemplu:

Figura 2.1 Exemplu de sistem tehnic Observaii 1. Noiunii de sistem ii este caracteristic evoluia in timp si desfaurarea in spaiu dinamic; sistem static. 2. Sistem tehnic = orice realizare tehnic in cadrul creia are loc un proces de transfer informaional. Este un ansamblu unitar construit n vederea realizrii unor sarcini, derivate din scop. Deci: 1. Pentru a exista un sistem, in sensul definiiilor, trebuie sa existe o structur i cel puin o aciune, dupa un anumit program, intre doua elemente ale structurii; 2. Un sistem este un complex de elemente in interaciune. Proprietile sale nu depind numai de proprietile elementelor componente ci, mai ales, de interaciunile dintre elementele sistemului. Intre aceste elemente exista legaturi prin care se transmit semnale; sistem

7

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

3. Un sistem este o unitate relativ delimitat faa de mediu, delimitarea fiind evideniata de structura sa intern; 4. Noiunea de sistem este relativa. Una si aceeai realitate poate conine mai multe sisteme.

2.2 Noiuni primare despre teoria sistemelor (TS)Obiective prezint modul general de interaciune al unor obiecte aparinnd unor clase diferite, fr a lua in considerare specificul acestor clase; permite descrierea structurii si comportamentului sistemelor, intr-un limbaj unitar, matematic Noiuni de baza in TS : 1. notiunea de stare a unui sistem ; variabile de stare ; ecuatii intrare-stare ; ecuatii intrare-iesire.

2. modalitati de abordare : a) axiomatica b) dinamica b.1) descrierea externa - sistemul este considerat ca o cutie neagra - relatiile cu mediul inconjurator sunt descrise prin intermediul variabilelor de intrare u, p si de iesire y, ca marimi externe sistemului(fig.2.2)

AFigura.2.2

8

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

u = (u1, u2, , ur) p = (p1, p2,., pr) Este un sistem dinamic orientat. y = (y1, y2,.,yr) Ecuatia de intrare-iesire are forma: y= A(u, p) (2.1) Orice pereche (A, y) care satisface ecuatia (2.1) se numeste pereche intrare-iesire. b.2) descrierea interna; se defineste multimea de variabile interne, numite de stare si a legaturilor functionale intre acestea. Aceasta multime de variabile sintetizeaza, caracterizeaza si memoreaza evolutia obiectelor din structura sistemului pana in momentul considerat. In acest scop, blocul A din fig. 2.2 se sectioneaza ca in fig. 2.3

Figura.2.3 B: C: x = B (u, p) y = C (x, p) (2.3) (2.4) (2.5)

unde B si C sunt operatori care formeaza impreuna operatorul A A(u,p) = C (B(u, p), p) iesire. Cele doua modalitati de descriere sunt utilizate in vederea studierii sistemelor, deci si a sistemelor mecatronice, adica: stabilitate, controlabilitate, raspuns la diverse excitari, determinarea performantelor. Ecuatia 2.3 genereaza ecuatia intrare-stare, in timp ce ecuatia 2.4 genereaza ecuatia intrare-stare-

9

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Teoria sistemelor este utilizata in vederea rezolvarii a trei clase distincte de probleme: Analiza sistemelor Scop: determinarea sau evaluarea unor proprietati: stabilitate, controlabilitate, observabilitate, performante, etc. Sinteza sistemelor Proiectarea sistemelor Scop: orientarea spre obtinerea anumitor performante (anumite relatii intre intrari, stari si iesiri) care nu sunt proprii sistemului, dar care se cer atinse. Conducerea sistemelor ca parte aplicativ Observatie- notiunea de identificare

2.3 Noiunea de sistem automatProdusele mecanice complexe sunt in general sisteme automate. Sistemul automat este format dintr-o parte condusa dispozitivului de automatizare). Legaturile sistemului cu exteriorul se caracterizeaza prin marimile de intrare (cauze) si marimile de iesire (efecte) (constituita din obiectul automatizarii) si partea conducatoare (constituita din elementele instalatiei sau

2.4 Structuri de sisteme automate si elemente componenteSistemul automat poate fi reprezentat printr-un model structural alcatuit din doua subsisteme : subsistemul condus S2 (proces automatizat PA, instalatie automatizata IA, obiect reglat OR) si subsistemul de conducere sau conducator S1(dispozitivul de automatizare). Dupa legaturile ce exista intre dispozitivul de automatizare DA si instalatia automatizata IA exista doua structuri fundamentale ale sistemelor automate : a) sisteme automate deschise (fig.2.5.a) ; b) sisteme automate inchise (fig.2.5.b)

Fig.2.5a 10

Fig.2.5 b

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Sistemul automat realizeaza o anumita dependenta intre marimea de iesire y si cea de intrare r: y = f(r) Sistem cu legatura inversa rigida (fig.2.5c) r m y Fig.2.5c

(DA)

S1

S2 (IA)

Elemente componente ale dispozitivului de automatizare

2.5 Clasificarea sistemelor1. Dupa structura, dupa cum s-a mentionat anterior sistemele pot fi cu structura deschisa sau inchisa. 2. Dupa cantitatea de informatie : sisteme cu informatie apriorica completa si sisteme cu informatie apriorica incompleta. 3. Dupa modalitatea de modelare a transferului informational : sisteme deterministe sisteme nedeterministe sisteme stationare, cu coeficienti constanti sau sisteme invariante.

Matematic aceasta se exprima astfel : -daca sistemul raspunde la semnalul de excitatii u(t) cu raspunsul y(t), -atunci raspunsul provocat de u(t-) este y(t- ) pentru orice real si pozitiv. - sisteme nestationare sau variante. 4. Dupa relatia functionala de transfer sistemele deterministe sunt : A.Sisteme liniare, cand modelul matematic ce descrie functionarea tuturor subsistemelor este un model liniar. Sistemele liniare sunt acelea care respecta principiul suprapunerii efectelor. Adica : a) daca sistemul, excitat de semnalul u1(t) genereaza la iesirea sa semnalul y1(t) si 11

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

b) excitat de semnalul u2(t) genereaza la iesirea sa semnalul y2(t), atunci c) in cazul excitarii sale de catre semnalul C1u1(t) + C2u2(t), la iesirea sa se obtine semnalul C1y1(t)+C2y2(t), pentru orice u1(t) si u2(t) si orice constante reale C1 si C2. B. Sisteme neliniare, cand cel putin unul din subsisteme este descris de un model neliniar. Sistemele sunt deci liniare sau neliniare dupa cum conditia c) de mai sus se respecta sau nu . 5. Dupa natura semnalelor prelucrate in sistem, se deosebesc : A. Sisteme automate continue B. Sisteme automate discontinue, discrete. Un caz particular al sistemelor discontinue il constituie sistemele cu esantionare. 6. Dupa numarul variabilelor de intrare si/sau iesire : a) b) sisteme monovariabile sisteme multivariabile 7. Dupa modul de variatie a marimii de referinta (marimea de intrare principala in subsistemul conducator) : a) b) sisteme cu referinta constanta in timp (sisteme de stabilizare) sisteme cu referinta variabila in timp

2.6 Informatia - componenta a sistemelor mecanice complexe Informatia - date depre lumea inconjuratoare care rezulta de pe urma contactului pe care-l realizam cu ea, in procesul de cunoastere, adaptare si modificare a ei Obs : intre notiunile de informatie, cantitate de informatie si sens al informatiei este o mare deosebire. Informatia capata un sens numai pentru cel care cunoaste codul in care este transmisa. Cantitatea de informatie este o marime care poate fi masurata ca orice alta marime fizica. I = logaN Determinarea bazei a a logaritmului are ca punct de plecare ideea de a defini drept unitate de masura a cantitatii de informatie, denumita bit, acea informatie care poate fi obtinuta din 2 simboluri (n =2), luate cate unul (m=1). 12

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

In acest caz N = 2 si conform celor spuse : I = 1 = loga2.

Rezulta a = 2

Asadar, cantitatea de informatie se determina cu ajutorul relatiei: I = log2N sau I = mlog2n Observatie : daca cele N comunicari sunt echiprobabile (au aceeasi probabilitate de a se realiza), atunci probabilitatea P de alegere a uneia din cele N comunicari este P =1/N. In consecinta, pe baza relatiei de mai sus se obtine : I = -log2P

Deci, prin cantitatea de informatie se poate intelege o masura a probabilitatii (egale) de determinare a evenimentelor. In consecinta, bitul se poate defini ca fiind informatia obtinuta prin prezicerea unei variante din doua egal posibile. Unitatea elementara de informatie este bitul (binary digit=cifra binara): 1 bit = - log2 (1/2) In informatica: 1 octet (byte) (B) = 8 biti 1 Koctet (KB) = 210 octeti 1 Moctet (MB) = 210 Kocteti Cuvantul = grupul de biti pe care procesorul unui computer ii poate manipula simultan Concluzii : In sistemele mecanice complexe, informatia este prezenta alaturi de materie si energie Din punct de vedere al mecatronicii, referitor la informatie se pun urmatoarele probleme: 1. culegerea ; 2. prelucrarea ; 3. stocarea (transmiterea) ; 4. utilizarea in scopul controlului proceselor si sistemelor

2.7 Semnale2.7.1 GeneralitatiO marime fizico-tehnica prin care se transmite o informatie, in procesul de functionare a unui sistem sau element, se numeste semnal. Conventional, un sistem sau element excitat la intrare de semnalul u(t), la iesirea caruia apare semnalul y(t) , se reprezinta din punct de vedere al transferului de informatie ca in fig. 2.6

13

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

u(t)

SISTEM

y(t)

Fig.2.6

OBSERVATII Caracteristica fizica care se modifica dependent de informatie, se numeste parametru informational (ex.) Concomitent, semnalele sunt functii de timp. Acesta este al doilea parametru al semnalelor. Intre elementele componente ale unui sistem apar relatii prin intermediul semnalelor. La transmiterea unei informatii este necesar un semnal si un cod comun pentru ambele sisteme : emitator si receptor

2.7.2 Tipuri de semnaleConceptual, notiunile de sistem si semnal sunt duale. Clasificarea semnalelor se face in conformitate cu foarte multe criterii a) dupa efectele produse asupra unui sistem : - semnale utile - semnale perturbatoare (perturbatii) b)dupa natura marimilor fizice : - semnale mecanice - semnale electrice - semnale pneumatice - semnale acustice, optice, hidraulice, etc c) dupa multimea de valori ale parametrului informational :

14

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

x(t) x(t)

Fig.2.7ax(t)

Fig.2.7b

Fig.2.7c - semnale analogice : parametrul informational ia valori pe multimi incluse in multimea numerelor reale. x : tx(t) Semnalul poate lua orice valoare din intervalul fixat (fig. 2.7a) - semnale discrete: parametrul informational ia valori pe multimi incluse in multimea numerelor naturale. Aceste semnale sunt descrise de functii: x : kx(k) sau x : t = kTx(kT) unde k este un nr.intreg (pozitiv sau negativ), iar t ia valori discrete t1, t2, -semnalele discrete digitale (fig. 2.7 b). -semnalele discrete binare (fig.2.7c) Definitie. Se numeste semnal continuu o functie f : T A, unde A este o multime data numita imaginea (sau multimea de valori) a semnalului iar T este axa (sau domeniul de definitie)al semnalului. Daca T R (multime continua"), atunci u este un semnal continuu; in cazul in care T Z (multime discreta") atunci u este un semnal discret. (3) (2) (1)

15

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

d) dupa multimea de valori ale parametrului timp t (variabila independenta) - semnale continue (in timp)- pentru fiecare valoare a timpului se defineste o valoare oarecare a parametrului informational - semnale discrete (in timp) esantionate si numerice parametrul informational este definit numai pentru anumite valori admisibile ale timpului

Fig.2.8 e) dupa previzibilitatea evolutiei in timp: -semnale deterministe -semnale stohastice (aleatorii) In analiza, sinteza, functionarea si conducerea sistemelor mecanice complexe se intalnesc toate tipurile de semnale mentionate mai sus.

2.7.3 Semnale de proba (standard)- structura algebrica (spatii vectoriale) ; - structura topologica (spatii Banach-spatii vectoriale normate si complete) ; - structura geometrica (spatii Hilbert- spatii vectoriale normate, complete cu norma definita de un produs scalar) 1. Semnalul treapta unitara (t) Semnalul treapta unitara (t) sau functia Heaviside este definita de relatia :

0 t < 0 1(t)=(t) = 1 t > 0

(4)

16

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Graficul : (t)

Fig.2.9-Treapta unitara

(t) nu este definita pentru t = 0 ; (0+) = 1 si (0-) = 0. Un semnal treapta de amplitudine A : A (t) constituie o treapta neunitara. Functia treapta unitara reala (t) este definita de relatia si are graficul :

0 t < 2 1 (5) (t) = (t + ) < t < 2 2 2 1 t > 2

(t)

1

-/2 / 2

0

/2Fig.2.10

t

Raspunsul sistemului la u(t) = 1(t) aplicat la intrarea unui sistem liniar, continuu si stationar (SLCS) in momentul t = 0, se numeste functie indiciala sau raspuns indicial. Se noteaza cu g(t).

Deci :

u(t) = 1(t)

y (t )[u (t )=1(t )] = g (t ) y (t )[u (t )=1(t )] = g (t )

Pentru :

0 t < u(t) = 1(t-) = 1 t >

17

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

u(t) u(t)1 0

SLCS y(t)

y(t)

t

t

1

Fig.2.11 Observatii :

1. Forma raspunsului nu depinde de momentul aplicarii semnalului de intrare (valabil si pentru treapta neunitara). 2. In cazul unui sistem liniar, continuu si nestationar SLCN, functia indiciala depinde de momentul aplicarii semnalului de intrare.

Raspunsurile obtinute la asemenea semnale permit precizarea unor performante ale sistemelor respective (fig.2.12)

Fig.2.12 18

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

o g(s) valoarea stationara, amplificare in regim stationar o suprareglarea: % =

gM gs 100% gs

trebuie ca impus trebuie ca impus

o grad de amortizare: % = o timpi de stabilire t1, t2

' 100%

o timp de intarziere ti caracterizeaza intervalul (0-1/2gs) o timp de crestere tc caracterizeaza intervalul (0.05-0.95)gs o timp de raspuns tr pentru

Observatii

1.In cazul SLCS aceste performante raman neschimbate, in timp ce la SLCN acestea se pot modifica. 2.Forma functiei g(t) depinde numai de structura interna a sistemului. Deci rasunsul indicial este util pentru identificarea structurilor.2.Semnalul impuls unitar (Dirac)

Derivarea functiei (t) (t) care este un impuls dreptunghiular de amplitudine 1/ si durata (in intervalul [-/2 si /2], conform figurii 2.11a

Fig.2.11

0 1 (t) = 1

t este orientat spre ieirea blocului atunci este un port de ieire (output port) iar dac simbolul este ndreptat spre bloc este un port de intrare (input port). Un semnal circul de la un port de ieire al unui bloc spre un port de intrare al altui bloc printr-o linie de conectare, Atunci cnd blocurile sunt conectate, simbolurile porturilor dispar. 39

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Pentru conectarea blocurilor se trece nti la conectarea blocului Sine Wave la prima intrare (de sus) a blocului Mux. Pentru aceasta se poziioneaz pointerul mouse-ului deasupra portului de ieire al blocului Sine Wave. n acest moment forma pointerului se schimb i devine de tip cruce (cursor).

Se ine apsat butonul stnga al mouse-ului i se deplaseaz cursorul pn la intrarea de sus a blocului Mux.

Urmeaz eliberarea butonului mouse-ului i se observ cum blocurile au fost conectate.

n afara liniilor care conecteaz ieirile unor blocuri la intrrile altora exist i linii de branare a unor linii la intrrile unor blocuri (se poate observa n modelul prezentat iniial). O astfel de linie este utilizat pentru conectarea ieirii din blocul Sine Wave i la blocul Integrator (exist deja conexiunea la blocul Mux). Pentru a efectua aceast conexiune se procedeaz astfel: 1. Se poziioneaz pointerul pe linia dintre blocurile Sine Wave i Mux.

2. Se apas i se ine apsat tasta Ctrl. Se apas butonul mouse-ului i apoi se trage pn la intrarea n blocul Integrator sau pn deasupra acestui bloc.

40

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

3. Se elibereaz butonul mouse-ului i se observ cum apare o linie de branare pn la portul de intrare n blocul Integrator.

Se procedeaz conform indicaiilor i se efectueaz toate conectrile necesare. Modelul va trebui s arate n final astfel:

4.3. Rularea simulrilor n SIMULINKDup ncheierea procedurii de construcie a modelului, trebuie rulat o simulare pentru aprecierea corectitudinii modelului i pentru obinerea rezultatelor cerute. Pentru aceasta se deschide mai nti blocul osciloscopului (Scope), pentru a vizualiza evoluia mrimilor modelului. Pstrnd fereastra osciloscopului deschis se va seta Simulink pentru rularea unei simulri timp de 10 secunde. Pentru aceasta, parcurgem urmtorii pai: 1. Setm parametrii simulrii prin alegerea submeniului Parameters din meniul Simulation. n fereastra de dialog care apare vom seta parametrul Stop time la 10.0 (valoare implicit). 2. nchidem fereastra de dialog Simulation Parameters prin click pe butonul Ok. Simulink va aplica parametrii i va nchide fereastra de dialog.

41

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

3. Se selecteaz Start din meniul Simulation i se observ curbele afiate n fereastra osciloscopului.

4. Simularea se va opri atunci cnd se ajunge la finalul timpului de rulare indicat n fereastra de dialog Simulation Parameters sau la selectarea opiunii Stop din meniul Simulation (sau din bara de instrumente). Pentru salvarea modelului se alege Save din meniul File i se introduce un nume de fiier i se alege directorul unde dorim s salvm modelul (fiierul va avea automat extensia .mdl). Pentru ncheierea lucrului se selecteaz Exit MATLAB sau se tasteaz quit n fereastra de comand a MATLAB-ului. 4.4. Modul de lucru al unui program SIMULINK Fiecare bloc dintr-un model Simulink are urmtoarele caracteristici generale: un vector de intrare, u, un vector de ieire, y, i un vector de stare, x:

Vectorul de stare poate consta din stri continue, stri discrete sau combinaii ale acestora. Relaiile matematice dintre aceste mrimi (intrri, ieiri, stri) sunt exprimate prin ecuaii de tipul:y = f 0 ( t , x ,u ) xd k +1 = f u ( t , x ,u ) xc = f d ( t , x ,u ) xc unde x = xdk iesirea actualizare derivata

Simularea const n dou faze: iniializare i simulare propriu-zis. Faza de iniializare nseamn parcurgerea urmtoarelor etape: 1. Blocul parametrilor este trecut n MATLAB pentru evaluare. Valorile numerice rezultate sunt folosite ca parametri actuali (cureni). 2. Este parcurs ierarhia modelului. Fiecare subsistem care nu este un subsistem executat condiionat este nlocuit prin blocurile componente. 3. Blocurile sunt sortate n ordinea n care este necesar actualizarea lor. Algoritmul de sortare ntocmete o list astfel nct orice bloc nu este actualizat pn cnd blocurile care furnizeaz intrrile acestuia nu sunt actualizate. n timpul derulrii acestei etape sunt detectate buclele algebrice. 4. Conexiunile dintre blocuri sunt verificate pentru asigurarea compatibilitii ieire-intrare. 42

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Urmeaz faza de simulare propriu-zis. Modelul este simulat prin integrare numeric. Calculul derivatelor se face n doi pai. Prima dat ieirea fiecrui bloc este calculat n ordinea determinat de algoritmul de sortare. La al doilea pas, pentru fiecare bloc se calculeaz derivatele n funcie de timp, intrri i stri. Vectorul derivatelor rezultat este returnat algoritmului de rezolvare de tip ODE, care l utilizeaz pentru calculul noului vector de stare pentru momentul de timp urmtor. O dat ce noul vector de stare este calculat, blocurile sunt actualizate.

43

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Software pentru studiul unor parametri ai procesului de injecie a benzinei n motoarele cu aprindere prin scnteie

5. MODELAREA SISTEMELOR DE INJECIESimularea poate fi gsit n faza de proiectare. Iar aceasta din urm are un rol decisiv n realizarea unui produs de calitate. Cum s-a ajuns aici, adic n situaia de a acorda o atenie tot mai nsemnat simulrii (lucru care de altfel nu e deloc lipsit de interes)? Pstrarea raportului calitate/pre n limite convenabile att productorului ct i beneficiarului a impus reducerea cheltuielilor de producie fr a face rabat de la calitate. Pentru reducerea preului de cost s-a intervenit pe trei ci principale n procesul de dezvoltare a unui produs: proiectare, fabricare, marketing. Ca urmare a promovrii aplicaiilor CAE, i CAD, s-a ajuns la proiectarea, simularea i evaluarea electronic a produselor. Ei bine, folosirea acestui tip de aplicaii a redus costurile deoarece utilizarea materialelor este minim.

5.1 Posibiliti de simulare a sistemelor de injecieAMESim 4.1 este un mediu de simulare, cu anumite trsturi caracteristice tuturor programelor de simulare, dar i cu trsturi proprii care-l particularizeaz i l propulseaz pe scara opiunilor celor care folosesc simularea ca instrument de lucru. El lrgete mult sfera posibilitilor de transpunere n mediu virtual a sistemelor mecanice, electrice i hidraulice. n AMESim 4.1 exist aplicaii pentru sistemul de frnare, pentru componente hidraulice, pentru echipamente de ridicare (controlat), sisteme de rcire a motorului, tubulatur de evacuare, injecie mecanic i electronic, direcie, rulare, ungere [5] .a. Orice aplicaie dintre acestea poate fi simulat n parametrii predefinii n cadrul programului sau cu orice ali parametri definii n mod rezonabil de ctre utilizator. AMESim 4.1 permite de asemenea importarea de sisteme liniare din MATLAB. Dac se creaz un model ne-liniar al unui sistem fizic n AMESim, el poate fi adus n MATLAB, unde se poate genera un controler liniar n baza modelului din AMESim. Din MATLAB se export controlerul liniar spre AMESim i se testeaz. Funciunile ce vor fi folosite n MATLAB pentru exportarea controlerului sunt ss2ame i tf2ame. Aceste dou funciuni pot fi folosite pentru exportarea oricrui sistem liniar dinspre MATLAB spre AMESim. Prin sintagma sistem liniar se nelege [5]: - un controler cu o singur intrare, cu o singur ieire i cu o funcie de transfer; - un controler cu multiple intrri i cu cu multiple ieiri; - un filtru special; - orice model liniar al unui sistem Simulink. n domeniul injeciei electronice AMESim-ul ofer o gam variat de direcii n care se poate conduce procesul de simulare. Dei aplicaiile implicite ale soft-ului sunt totui limitate, se crede c posibilitile de simulare cu ajutorul lui sunt foarte generoase i largi. Se pot modela noi 44

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

elemente, se pot asambla i construi noi sisteme, dup cum se pot aduga sau scoate anumite funcii (ex. se pune unul sau mai multe orificii la un injector). n figura 1 se prezint modelul unui sistem de injecie electronic, cu ramp de distribuie, realizat n AMESim dup un sistem real. Aceiai structur poate fi i chiar a fost folosit cu succes att pentru motoare pe benzin, ct i pentru motoare diesel, cu precizarea c la acestea din urm presiunea se afl n domeniul 10001800 bar [5]. La motoarele pe benzin presiunile maxime sunt de cel mult cteva zeci1 de bar. Structura n rest e asemntoare, la cele dou tipuri de motoare.

a.

b.

Fig. 5.1. Model de sistem de injecie electronic, cu ramp de distribuie.a modelul fizic; b modelul virtual; 1 injectoare; 2 indicator pentru turaia pompei; 3 pomp de combustibil; 4 regulator de presiune; 5 ramp de distribuie.

Sunt prezentate implicit n AMESim modelele componentelor sistemului de injecie: pompa de combustibil, regulatorul de presiune, injectorul, reeaua sau structura hidraulic. Descrierile oferite aici nu sunt deloc exhaustive n termenii ipotezelor de modelare i analiz a rezultatelor. Se ilustreaz doar modalitatea de aplicare a programului AMESim la acest problem [5]. Dac pn aici s-au prezentat doar unele posibiliti pe care le ofer AMESim-ul n domeniul simulrii, ar fi probabil interesant ca n continuare s se ilustreze cu nite cazuri concrete de simulri (analiz i interpretare a rezultatelor) ce se poate face (i ce nu) n programul amintit.

5.2 STUDIUL PRIN SIMULARE A UNOR PARAMETRII AI INJECIEIn urma simulrii n AMESim se vor determina anumii parametrii ai procesului de injecie realizat cu un injector electromagnetic, caz n care se poate modifica dimensiunea acului injectorului, diametrul interior al pulverizatorului, unghiul vrfului acului, fora arcului, rigiditatea arcului, numrul de orificii, presiunea de combustibil, volumul camerei hidraulice, proprietile combustibilului, diametrul supapei sferice etc. n figura 5.2 de mai jos este redat modelul de injector creat n AMESim i utilizat pentru simularea variaiei unor parametrii ai injeciei (ca volumul, debitul de combustibil injectat i deplasrile acului).

Doar m.a.s. cu injecie direct ajung la presiuni de zeci de bar (chiar 90) [2], pulverizarea avnd loc n timpul compresiei, cnd presiunea n cilindru poate fi 2030 bar, n vreme ce la injecia indirect presiunea n poarta supapei este sub cea atmosferic n momentul pulverizrii.

1

45

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 5.2. Model de injector electromagnetic din AMESim.1 proprietile combustibilului; 2 intrare combustibil; 3 muf electric; 4 bobina injectorului; 5 modelul virtual al pompei de combustibil; 6 acul injectorului; 7 orificiul pulverizatorului; 8 supap sferic; 9 funcia de variaie a volumului de combustibil injectat; 10 fereastr pentru alegerea caracteristicilor combustibilului.

n partea stng a figurii se afl injectorul real, iar n centru modelul virtual al injectorului din AMESim, n timp ce n dreapta se observ fereastra n care se modific parametrii combustibilului. Pe de alt parte, la fel cum n realitate un injector poate avea mai multe orificii de pulverizare, i n AMESim se poate crea un injector cu multiple orificii de acest fel. Modelul virtual din figur prezint 5 orificii. Simularea prezentat n aceast lucrare este caracterizat de o serie de date iniiale i de un ansamblu de mrimi de ieire. n tabelele 5.1 i 5.2 sunt oferite toate aceste date ale simulrii.Tabelul 5.1. Parametrii dai ai combustibiluluiDensit. [kg/m3] 850 Modulul (bulk modulus) [bar] 17000 Vscozitate absolut [cP] 42,5 Presiunea de saturaie [bar] 0 Coninutul de Temp. Indicele fracii de aer [oC] politropic [%] 0,1 39,85 1,4

Tabelul 5.2. Valorile unor parametrii ai procesului injecieiDate iniiale Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Pres. creat de pomp [bar] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Masele corpurilor mobile [kg] 2.10-5, pentru corpul superior, 1.10-6, pentru corpul inferior. Debit de comb. [l/min] 0,06 0,085 0,1 0,12 0,13 0,14 0,153 0,168 0,79 Date de ieire Deplasare Volum ac injectat injector de comb. [mm] [mm3] 3,18 0,064 4,5 0,079 5,8 0,09 7 0,105 8 0,112 8,99 0,125 9,6 0,135 10,5 0,14 11,2 0,15 Deplasare supap sferic [mm]

0,2

46

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Aceste date, precum i dimensiunile i alte grupe de setri oferite de program au fost adoptate fie constructiv, fie au fost pstrate la valorile implicite ale softului, astfel nct simularea s se desfoare n condiii optime, iar rezultatele s contribuie eficient la progresul epistemiologic. Rezultatele grafice de la ultima simulare sunt redate n figura 5.3.

Fig.5. 3 Rezultatele simulrii la presiunea de 10 bar.

Se regsesc aici curbele de variaie a forei electromagnetului, a deplasrii supapei sferice, a deplasrii acului injectorului, a debitului de combustibil, i a volumului injectat, toate funcie de timpul de injecie. Acul n aceast simulare se ridic de pe scaunul su 0,15 mm, ceea ce sugereaz un anumit gradient (h10-9) fa de cazul precedent (0,14 mm), ce se obine cu urmtoarea relaie: h 10 9 = h 10 h 9 [mm], (1) unde: h9, h10 nlimile de ridicare a acului n cazul n care presiunea combustibilului n instalaie este de 9, respectiv 10 bar. Dup efectuarea nlocuirilor relaia va fi de forma: h 10 9 = 0,15 0,14 = 0,01 mm. (2) Gradientul de debit (D10-9) poate fi determinat cu relaia: D 10 9 = D 10 D 9 [L/min], (3) n care: D9, D10 debitul ce trece prin orificiile injectorului la o presiune de 9, respectiv 10 bar n instalaie. Dup efectuarea nlocuirilor relaia va avea forma: D 10 9 = 0,79 0,168 = 0,622 L/min. (4) Gradientul volumic (V10-9) se poate determina cu relaia: V10 9 = V10 V9 [L/min], (5) unde: V9, V10 volumul de combustibil injectat la o presiune de 9, respectiv 10 bar n instalaie. Dup efectuarea nlocuirilor relaia va avea forma: V10 9 = 11,2 10,5 = 0,7 L/min. (6) n felul acesta pot fi obinute rezultatele simulrilor n AMESim, evideniindu-se influena presiunii asupra volumului injectat, debitului i deplasrilor elementelor mobile. 47

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Se observ de-a lungul simulrilor efectuate cteva fenomene caracteristice injeciei, i anume c la aceiai sarcin a motorului, fora exercitat de electromagnet nu se modific, ea urmnd aceiai curb ca pe un fel de rutin. Apoi, graficul deplasrii supapei sferice are una i aceiai curb n toate simulrile, cu excepia ultimelor 4 cnd a nceput s vibreze pe scaunul ei la captul injeciei, lucru care indic prezena unor fenomene anormale care merit a fi analizate la rndul lor. Trebuie remarcat faptul c perturbaiile sunt cele mai nsemnate n ultimul caz, i se poate presupune c ele ar crete n continuare pe msura creterii presiunii din sistemul de injecie. Interesante variaii prezint curbele volumului i debitului de combustibil, precum i cea a deplasrii acului. n continuare se prezint sintetic variaia debitului, volumului i deplasrii pentru simulrile efectuate, n funcie de presiunile adoptate (v. fig. 4). Se observ c variaia debitelor prezint o curbur uoar pn la presiunea de 9 bar. Dup aceasta debitul face un salt puternic.

Fig. 5.4. Curbele deplasrii acului, volumului i debitului de combustibil la diferite presiuni n instalaie (p = 210 bar).a deplasarea acului; b volumul injectat; c debitul de combustibil.

Curba de variaie a volumului se desfoar o bun parte fr inflexiuni sesizabile. n dreptul presiunilor de 6 i 8 bar ea prezint puncte de uoar inflexiune. Din analiza acestor grafice se observ c la o for constant a electromagnetului, cu aceleai arcuri i elemente mobile n injector, modificnd doar presiunea n instalaie variaz sensibil cursa acului. Mai cunosc modificri importante debitul i volumul injectat. n figura 5 se prezint comparativ curbele de variaie a volumului, a debitului i a deplasrilor acului.

48

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 5.5 Curbele volumului, debitului i deplasrii acului la, p = 210 bar.a curbele de volum; b curbele debitului; c curbele deplasrii acului.

n figura 5.6 se prezint n urma efecturii tuturor calculelor curbele de variaie a gradienilor de volum, de debit i a deplasrii acului.

Fig. 5.6. Curbele gradientului.a gradientul volumic; b gradientul debitului; c gradientul deplasrii acului.

De pild, gradientul V23, determinat prin calcule, reprezint creterea volumului injectat la 3 bar fa de volumul injectat la simularea precedent. n mod similar, ceilali gradieni volumici reprezint creterile n volum de la o simulare la alta ca urmare a ridicrii presiunii cu cte un bar. Curba gradientului de debit arat cu ct crete debitul de combustibil la fiecare simulare fa de precedenta.

5.3

Concluzii.

Fr a mai aminti avantajele simulrii aici se prezint cteva particulariti i limite ale simulrii, precum i direciile viitoare de simulare. Primul dezavantaj pe care-l putem semnala n procesul de simulare este dificultatea probrii viabilitii rezultatelor, i asta se observ cu att mai acut acolo unde se simuleaz dispozitive despre care nu se cunosc prea multe detalii (la proiectarea de lucruri noi). n astfel de cazuri experiena i bunul sim tehnic ingineresc sunt factorii de ghidare, pentru c fr acestea ansele de reuit n procesul de simulare scad foarte mult, iar ctigul epistemiologic este null. Cnd se cunosc mai multe despre dispozitivul simulat, evaluarea simulrii e mai facil. 49

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Ca direcii de perspectiv pentru alte simulri se recomand urmtoarele: simularea procesului de ardere pentru diferite presiuni de injecie, simularea procesului de injecie utiliznd ali combustibili dect benzina, simularea diferitelor regimuri de funcionare in funcie de debitul de aer aspirat n motor, simularea diferitelor regimuri de funcionare in funcie de temperatura aerului la admisie, simularea diferitelor regimuri de funcionare in funcie de informaiile primite de la sonda lambda, simularea calitii amestecului legat de performane.

6. EXEMPLU DE PROIECTARE FUNCIONAL 1 AMBREIAJ MECANIC6.1 Exemplu de proiectare dimensional (convenional)

Alegerea tipului constructiv

Ambreiajul este inclus n transmisia automobilului n scopul compensrii principalelor dezavantaje ale motorului,care constau n imposibilitatea pornirii sub sarcin,extstena unor zone de funcionare instabil i mersul neuniform al arborelui cotit.Ambreajul realizeaz cuplarea i decuplarea transmisiei de motor.Ambreiajul cuprinde elemente solidare cu arborele cotit al motorului i elemente solidare cu transmisia. Comanda de decuplare i cuplare a celor dou pri se face prin sistemul de acionare .Cerinele pe care trebuie s le ndeplineasc acest sistem sunt : -transmiterea momentului motor maxim s se fac fr patinare n condiii normale de funcionare . -s se asigure cuplarea lin i complet . -s asigure alunecri care s evite suprasolicitarea organelor tramsimisiei sau a arborelui motor . -s permit o decuplare rapid i total cu eforturi reduse din partea conductorului. -cldura care apare n urma patinrii suprafeelor prii conduse n raport cu cele ale prii conductoare s fie cedat cu uurin mediului. n construcia de autoturisme se ntlnesc mai multe tipuri de ambreiaje care, dup modul de transmitere al momentului motor ,se clasific astfel . -ambreiaje mecanice . -ambreiaje hidrodinamice -ambreiaje electromagnetice Ambreiajele mecanice pot fi cu arcuri elicoidale, dispuse periferic sau cu arc diafragm.Datorit momentelor relativ mici de transmis,la autoturisme i a gabaritului redus,ambreiajul mecanic cu arc central tip diafragm a cptat o larg rspndire . Ambreiajele cu arc central tip diafragm necesit o for de cuplare mai mic ,respectiv o acionare mai uoar .De asemeni,fora de apsare a arcului tip diafragm se menine constant,odat cu uzura garniturilor de frecare ,eliminndu-se tendina de patinare ,pe msura uzurii datorit scderii forei de apsare a arcurilor elicoidale . n urma acestui studiu i avnd n vedere autoturismul impus ,ct i soluiile similare,adopt ambreiaj mecanic monodisc uscat,cu arc central tip diafragm .Alegerea valorilor principalilor parametri constructivi i de funcionare

Coeficientul de siguran - 50

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Transmiterea integral a momentului maxim al motorului n orice condiii este posibil c momentul capabil (momentul de calcul ) al ambreiajului Ma este mai mare dect momentul maxim al motorului Mmax .n calculul de predimensionare se introduce un coeficient de siguran beta care ine cont de acest lucru . Pentru autoturisme ,n cazul ambreiajului mecanic,se recomand . =1,6*1,75. Adopt =1,3 Ma= Mmax=1,6 169=271 N*m. Presiunea specific - ps La ambreiajele mecanice ,legtura de cuplare este determinat de mrimea forelor de frecare ,ce iau natere n suprafeele de frecare ale prilor conduse i conductoare,puse n contact forat prin intermediul unor fore normmale de apsare .Raportul dintre fora de apsare a arcurilor de presiune F i mrimea suprafeei de frecare a ambreiajului definete presiunea specific a ambreiajului. F Ps= ; A n funcie de tipul cuplurilor de frecare ,presiunea specific se admite ntre limitele : Ps=1,5 2 N/mm2; se adopt pentru calcul Ps=1,5 N/mm2 Fizic valoarea maxim a presiunii este limitat de tennsiunea admisibil de strivire a materialului garniturilor. Creterea de temperatur la cuplare n procesul de cuplare i decuplare al ambreiajului ,o parte din lucrul mecanic de patinare al ambreiajului,se transform n cldur ,nclzind piesele metalice ale ambreiajului,din aceast cauz garniturile de frecare funcioneaz la temperaturi ridicate.Ca urmare a cldurii preluate, are loc o scdere a durabilitii de dou,trei ori .Pentru meninerea calitilor de funcionare n domeniul de durabilitate ,se admite o cretere a temperaturii de maxim 10-15C; L t = c np unde : t = creterea de temperatur =coeficient ce exprim a cta parte din lucrul mecanic de frecare este cheltuit pentru nclzirea piesei verificate ; =0,5,pentru discul de presiune exterior la ambreiaje monodisc c=cldura specific a pieselor ce se nclzesc c=500 J/Kg C np=masa pieselor ce se verific Ambreiajul se consider bun din punct de vedere al nclzirii i rezistenei la uzur dac creterea de temperatur se ncadreaz n limitele t =8-15 C

Dimensionarea suprafeelor de frecare

Pentru a putea transmite momentul motor maxim,ambreiajul are nevoie de o suprafa de frecare a crei mrime se determin cu relaia : A= (Rc 2- Ri 2 ) , Unde. Re-raza maxim Ri-raza minim 51

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Raportul dintre Rmin i Rmax are o valoare cuprins ntre 0,53-0,75 ,se adopt c=0,53.Cunoscnd coficientul c ,presiunea specific ps ,I=2,I fiind numrul suprafeelor de frecare ,rezult raza maxim ; A= (Rc 2-Ri2 ) Unde: Re-raza maxim; Ri-raza minim =2,53,adopt =3; -coeficient de frecare,se adopt =0,3. Raportul ntre Rmin i Rmax are o valoare cuprins ntre 0,53-0,75,adopt c=0,65.Cunoscnd coeficientul c,presiunea specific ps,i=2;i,fiind numrul suprafeelor de frecare rezultnd raza maxim:

* M max 3 * 169 * 10 3 Re= = =116mm (1 c )i (1 0,65 2 ) * 2 * 10tiind raza maxim i coeficientul c vom putea determina raza minim cu relaia : Ri=Re c Ri=116 0,6 Ri=69.6mm. Re=116mm Cu aceste valori determinate ,vom putea obine aria suprafeei de frecare innd cont derelaia urmtoare: A= Re2 Ri2 = 116 2 69.6 2 =27041 mm2 Se adopt urmtoarele dimensiuni principale conform STAS 7793-67: Re=112.5 mm Ri=75 mm Grosimea g=3,5 mm. n acest caz aria de frecare va fi: A= (Re2-Ri2)= (112.52-752)=2314.1mm2 Pentru a carecteriza solicitrile ambreiajului i rezistena lui la uzur utilizm ca parametri de apreciere lucrul mecanic specific Ls,definit ca raportul ntre lucrul mecanic de patinare L,i suprafaa de frecare,A. L Ls= ; pentru autoturisme Ls=100120daNmm A Lucrul mecanic de patinare se calculeaz n cazul pornirii din loc a autoturismului cu relaia: r2 0.3 2 = 4976.2 daNmm L = m2 0,5 ma 2 r =43848,3*0,5*1620* 3.08 2 * 3.5 2 i cv1 * i 0 * n * 2000 m = = = 209,4 rad/s 30 30 ma-masa automobilului ma=1620 Kg rr-raza de rulare rr=0,3 mm icv1-raportul de transmitere n treapta I acutiei de viteze i0-raportul de transmitere principal L 4976.2 = 1,27daNm/cm2 Ls= = A 27041

(

) (

)

Calculul prii conductoare

Discul de presiune 52

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Discurile de presiune sunt dimensionate funcie de misiunile ndeplinite reprezentnd o suprafa de contact cu frecare pentru cuplare. Pentru asigurarea contactului prin frecare ,discul de presiune n forma unui cilindru are urmtoarele dimensiuni: Red=Re+(35)mm=112.5+4=116.5mm Red-raza exterioar a discului Rid=Ri-(35)mm=75-4=71mm Rid-raza interioar a discului Arcurile de presiune Arcurile sunt elemente ale prii conductoare care dezvolt fora pentru meninerea strii cuplate a ambreiajului .Fora necesar de apsare normal pe suprafaa de frecare este . Ma F= = i Rmed Unde. -coeficientul de frecare.Pentru calcul adopt =0,3 Ma= * M max = 1,6*169=271 i-numrul suprafeelor aflate n contact i=2 Re + Ri [mm] Rme= 2 112.5 + 75 =93.75mm Rmed= 2 271 * 10 3 =4828.5N F= 0,3 * 2 * 73 Momentele limit ce solicit arcurile i care limiteaz rigiditatea lor maxim sunt Mmax=169 i Gad rd 8075 0.4 0.3 Mp= = =120Nm iCV * i 0 3.08. 3.5 Fora Fa care solicit un arc al izolatorului ,considernd c arcurile particip n mod egal la preluarea Mmax este: M max [N ] Fa= Za Ra Unde: Za-numrul de arcuri ale izolatorului Za=10 Ra-raza de apsare a arcurilor Ra=60mm 169 Fa= = 323 N 10 0.06 Se adopt pentru arcuri urmtoarele dimensiuni. D- 17.5 mm-diametrul exterior Dm- 12 mm-diametrul mediu al arcului h-39,7 nlimea de lucru a arcului d-3.5mm diametrul srmei n mm

53

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Calculul prii conduse

Arborele ambreiajului Arborele ambreiajului este solicitat la torsiune i ncovoiere,deoarece solicitarea principal este de torsiune ,pentru dimensionare avem : 1,2 M max di = 3 unde. = 0,2at = 100...120 N / m2 -efortul unitar admisibil la torsiune,se adopt =100 N/mm2 1.2 1.6 169 1000 di 3 =25mm 0.2 100 Din STAS 6858-80 se adopt caneluri n evolven cu centrare pe flancuri m-1,25 Z-22 di -27 mm de-30 mm L=40 mm b-2,685 Cu aceste dimensiuni adoptate se verific la solicitarea de forfecare i la strivire: sa= ja=2030N/mm2 4 * 169 4 M max =6 N/mm2 = -forfecare ja= Z L b(d e + d i ) 22 * 40 * 2.685 27 + 30 8 * 169 8 M max -strivire sa= = =10.3 N/mm2 2 2 2 2 Z L (d e d i ) 22 * 40(30 27 )

(

)

.Butucul discului condus De=30.5 mm Di= 27.5 mm Z=22 mm L= 40 mm Butucul se verific la forfecare i nconvoiere i la strivire. 4 M max 4 * 169 * 10 3 fb= =5.73 N/mm2 = Z b L(De + Di ) 22 * 40 * 2.685(27.5 + 30.5) 8 * 169 * 10 3 8 M max fb= = fb= fb=2030N/mm2 =10.3 2 2 2 2 Z L 25 22.5 ) 22 * 40 * (30.5 27.5 )

(

Calculul elementelor elastice suplimentare mf Gad rd 8075 0,4 0,3 = 238 Nm Mc= = = 3,5 1 i 0 i cv 4 i0 * i cv 4 Dac R-este raza medie de dispunere a arcului atunci: 238 Mc = =397 N F= Z R 10 * 0.06 Momentul de pretensionare va avea valoarea : 15 15 Mpr=Mmax* = 169 = 25 Nm 100 100 Fora de pretensionare asupra unui arc va fi: 54

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

8 Fp Fp r )Dm 3 * n 8 * (323 42.2 ) * 16 3 * 10 =7.15 = G*d4 8 * 10 4 * 4 4 Mp 120 =362,2 N Fp= = Za * Ra 10. * 0.06 Lungimea ferestrei Lf din butuc va fi: Lf=Lmin+ n ,Lf=35.04+5.23 Lf=40.27 ,se adopt Lf=40 Diametrul limitatorului se recomand d=1012 mm se adopt d=10 mm.Valoarea tieturii din butuc va fi: =d+ n+ r=7.15+5.23+10=22 mm Verificarea arcului la torsiune 8 * K * Dm * Fa = = *d3 unde, K-coeficient de corecie, K=1,4 at = 800...1000 N/mm2 322 N/mm2

Mpr 25 = =42.2 N Za Ra 10 * 0.06 n stare blocat arcul va avea lungimea : Li= (n 0.5) *d=(10.-0,5)*3.5=34.2 Lungimea minim a arcului sub aciunea momentului maxim va fi: Lmin=Li+js*n Unde: js=jocul dintre spire js=0,009 Lmin=34.2+0,09*10=35.04 Sgeata pe care o are arcul sub aciunea Mmax va fi: 3 8 F max Fp r )Dm * n 8 * (323 42.2 ) * 12 3 * 10 n= = = 5.2 G*d4 8 * 10 4 * 4 4 Sgeata pe care o are arcul sub aciunea p va fi:

Fpr=

(

r=

(

6.2 Proiectarea funcional a ambreiajului mecanic utiliznd SIMULINK Exemplul urmtor (figura 6.1) arat cum poate fi proiectat modelul unui ambreiaj mecanic utiliznd subsisteme blocuri de tipul IF/ELSE dac/altfel disponibile n SIMULINK. Un subsistem de tip IF permite modelarea ambreiajului n poziia blocat (ambreiat), n timp ce un subsistem de tip ELSE modeleaz poziia de-blocat (debreiat) a ambreiajului. Unul sau altul dintre subsisteme este activ prin utilizarea unui bloc de decizie (IF). Liniile care pornesc dinspre blocul IF semnific semnalele de control folosite pentru a activa blocurile IF/ELSE (sau alte sub-sisteme) de condiionare funcional. Prin rularea simulrii modelului sunt disponibile variaiile urmtoarelor variabile (n valori relative), reprezentate n figurile: 1. Fn - cursa pedalei de ambreiaj (figura 6.4); 2. Min momentul de torsiune dinspre motor (figura 6.5); 3. we turaia motorului (figura 6.6); 4. wv viteza vehiculului cnd ambreiajul este deblocat (debreiat) (figura 6.7); 5. w viteza autovehiculului cnd ambreiajul este blocat (ambreiat) (figura 6.8); 6. Loked Flag - indicator (1 pentru ambreiat i 0 pentru debreiat) (figura 6.9); 7. Lockup Flag indicator pentru momentul de timp din care ambreiajul este blocat/ambreiat (1 pentru momentul de timp de la care se produce ambreierea) (figura 6.10); 8. Break-Apart Flag indicator pentru ntreruperea transmiterii momentului de torsiune dinspre motor (1 cnd ambreiajul este debreiat, 0 cnd este ambreiat) (figura 6.11);

55

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

9. - Friction Torque Required for Lockup Momentul de frecare necesar pentru blocare (ambreiere); 10. - Max Static Friction Torque Momentul de frecare static maxim.

Clutch Model in Simulink 2 A Demonstration of the If Block

Locked

Tin

w

3 w

if { }

Tin Engine Torqueelse { } Tfmaxk

locked unlocked

if(u1 > 0 u1 else

If 1we

we 2

Tin

wv

wv 4 Locked Flag Lockup Flag 5 6 Break-Apart Flag FrictionTorque Required for Lockup 7

Unlocked

locked Tfmaxk Tin lock

Fn Clutch Pedal

Fn unlock Tfmaxs Tfmaxs Tf

Friction Model

8 Max Static Friction Torque

Friction Mode Logic

Figura 6.1 Modelul funcional al ambreiajului.

56

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Figura 6.2 Parametrii de intrare/ieire ai modelului.

Clutch Pedal(r-) Engine Torque(g-) we(b-) wv(y-) w(m-) Locked Flag(c-) Lockup Flag(r--) Break-Apart Flag(g--) FrictionTorque Required for Lockup(b--) Max Static Friction Torque(y--) 2

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.3 Variaia parametrilor de intrare/ieire n funcie de timp (n legend, literele din paranteza care urmeaz fiecrui parametru indic prima liter a culorii (n englez) cu care este este reprezentat variaia).

57

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Clutch Pedal(r-) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.4 Cursa pedalei de ambreiaj.Engine Torque(r-) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 Time (sec.) 7 8 9 10

Figura 6.5 Momentul de torsiune transmis dinspre motor.

58

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

we(r-) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.6 Turaia motorului.

wv(r-) 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 Time (sec.) 7 8 9 10

Figura 6.7 Viteza vehiculului cnd ambreiajul este deblocat (debreiat).

59

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

w(r-) 0.7 0.6 0.5 0.4

0.3 0.2 0.1

0

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.8Lockup Flag(r-) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1 0 2 1 3 2 4 5 6 7 Time (sec.) 3 4 5 6 Time (sec.) 8 7 9 8 10 9 10 Locked Flag(r-)

Figura 6.9

60

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Lockup Flag(r-) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.10

Break-Apart Flag(r-) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 Time (sec.) 7 8 9 10

Figura 6.11

61

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

FrictionTorque Required for Lockup(r-) 2

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.12

Max Static Friction Torque(r-) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

1

2

3

4

5 6 Time (sec.)

7

8

9

10

Figura 6.13

62

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

7. EXEMPLU DE PROIECTARE FUNCIONAL 2 SUSPENSIE 7.1 Proiectare funcional n AMESim

AMESim numele provine de la Advanced Modeling Environment for performing Simulations (Mediu avansat de modelare pentru realizarea de simularii) pentru sisteme de inginerie. Este bazat pe o interfa grafic intuitiv n care sistemul e reprezentat n totalitate n procesul de simulare. AMESim folosete simboluri pentru a reprezenta fiecare component n sistemul n care este introdus : - bazndu-se pe simbolurile standar folosite n inginerie cum ar fi simbolurile ISO pentru simbolurile hidraulice sau simbolurile pentru sistemele de control; - simboluri care uureaz recunoaterea unui sistem;

Figura 7.1: Simboluri folosite n AMESim Figura 7.1 ne arat un sistem ingineresc care folosete simboluri mecanice, hidraulice i elemente de control. Figura 7.2 Ne arat sistemul de frnare al unui autovehicul n care sunt folosite cteva simboluri pictografice.

63

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Figure 7.2: Sistemul de franare al autovehicululuiCum este AMESim folosit?

Folosind AMESim poti construi diverse sisteme inginereti prin simpla adaugare a icoanelor n suprafaa de lucru . Cnd schia este complet, se realizeaz o simulare a sistemului care se poate strucutura n urmatoarele stagii: - asocierea icoanelor cu descrierea matematic - componentele sunt asociate - simularea este rulat - graficele sunt reprezentate interpretndu-se astfel comportamentul sistemului Lucrand cu AMESim beneficiezi de : - interfa reliazat cu ajutorul MATLAB. Asftel se poate accesa toate tipurile de caracteristici, facilitaii de optimizare, analiza spectrala etc. - ecuaii AMESim se refera la un set de ecuaii definite definite de comportamentul dinamic al sistemului i generarea unui cod pentru a se putea realiza corespondena cu celelalte submodele. Modelul este construit din ecuaii i codurile de coresponden pentru fiecare element n parte. AMESim conine un numar mare de librarii care conin icoane i submodele ale diferitelor componente. - librarie de simboluri care ofera controlul i icoanele mecanice i submodelele ne vor permite s realizm o simulare dinamic a unor siseme variate. Ca suplement sunt librarii optionale de hidraulica, pneumatic, sisteme de rcire, etc.Descrierea modelului matematic SIN0 surs de semnal sinusoidal

64

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Descriere: SIN0 genreaz o sinusoid la ieirea din singurul su port. Utilizatorul trebuie s alimenteze o frecventa, nivelul principal, amplitudinea i frecvena.

Simbolul i ecuaia:

Datele de iesire este calculata ca:output = a . sin(f . t + phi)

XVLC01 - convertor de semnal ntr-o deplasare liniar Descriere: XVLC01 convertete un semnal de intrare al portului 1 ntr-o deplasare liniar cu aceeai valoare n metri care este i iesirea pentru portul 2. Variabile externe:

65

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

LSTP00A - elastic contact Descriere: LSTP00A este un submodel a unui contact elastic dintre 2 corpuri capabile de miscare liniar, practic simuleaz contactul dintre cauciuc i calea de rulare. Variabile externe:

Ecuaii: Spatiul gol, este calculat ca: gap = gap0 - x1 - x2

Penetrarea i derivatele ei este atunci:pen = -gap dpen = v1 + v2MAS0021-2 masa Descriere: MAS002 reprezint masa sub aciunea a doua fore. Submodelul se ntoarce cu viteza n [m/s], deplasarea n [m] iar acceleraia n [m/s]. Variabile externe:

Ecuaii: Acceleraia i derivatele variabilelor de gradul 2 se calculeaz: vadot = ( fb fa 9,81 . mass .sin(theta)) / mass xdot = va

66

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

accel = vadotSD0000A arc i amortizor Descriere: SD0000A submodelul are doua porturi la care fora e exprimat n N. La conectarea submodelului trebuie asigurat viteza n m/s i deplasarea n m. Ecuaii: Calcularea compresiviti arcului poate fi calculat ca: x = offset + x1 + x2 Fora total (arc i amortizor) poate fi calculat ca: force1 = srate . x + cdamp . (vel1 + vel2)

Variabile externe:

LCON13 - arbore liniar transfer vitez i deplasarea Descriere: LC0N13 este un arbore liniar ce permite conectarea a 2 arbori liniari ( ieirea secundar a arborilor 1 i 2) cu altul ( ieirea principal a arborelui 3) Arborele principal la ieirea 3 i se impune o viteza n m/s i o deplasare n m care sunt transferate la ieirile 1 i 2. Arborii la iesirile 1 i 2 primesc o forta n N ca data de intrare i ca fora de iesire este setata pentru iesirea 3 care este rezultanta dintre cele 2 fore. Variabile externe:

67

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

HJ0023 - amortizor recuperativ Descriere: HJ0023 submodelul include dinamica presiunii n volumul hidraulic,friciune vascoas i scurgerile datorate neetaneitii. Ecuaii: Fora exercitat de presiune asupra tijei i friciune vascoas frod = p1.A1 - prod.A2 + v.visc - preld - ksprng.xact Volumul de ulei din piston corespunyator portului 1 este vol = A1.xact + dead1 iar derivata presiunii p1dot este calculat:

este:

CV000 - supapa de verificare Descriere: CV000 este un model de simplu de supapa de verificare. Nu este incorporat dinamica de la deschiderea supapei, caracteristica presiunii i a debitului sunt considerate liniare. Presiune este exprimat n bari la fiecare port i debitul n L/min . Ecuaii: Presiunea care creaz for de deschidere a valvei este calculat ca: dp = pin pout pcrack Variabile externe:

HA001 acumulator hidraulic Descriere: HA001 e un submodel dinamic a acumulatorului hidraulic. Gazul din acumulator se consider c respect legea politropic a gazului de forma: P . Vgamma = constant unde constanta este definit de presiunea de prencarcare i de volumul acumulatorului. Fluidul hidraulic din acumulator este considerat ca avand aceeai presiune ca ceea a gazului. Cnd volumul de gas devine 1/1000 din volumul nominal a acumulatorului, acumulatorul este considerat ncarcat pe deplin. Acest lucru previne problemele care s-ar putea ntampla dac volumul de gas tinde spre zero. Cnd este descarcat complet presiunea hidraulic n bar este calculat folosind ecuatia pentru un volum comprimat de fluid cu un volum presupus de 1/1000 din volumul acumulator. Variabile externe:

68

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

MO001 motor hidraulic Descriere: Dac este o scapare de aer sau cavitaie la intrare, fluxul va fi redus. Cnd motorul este rotit napoi,(invers) , iesirea care e de obicei iesirea (iesirea1) devine intrarea. n aceste conditii presiunea la ieirea 1 este utilizat pentru a determina debitul de lichid. Parametrul 'vitez tipic a motorului' este utilizat pentru a determina sirul vitezei peste care transmisia e facuta. Schimbarea dintre cele 2 presiuni este considerata ca avnd loc ntre vitezele + i - wtyp/100 Variabile externe:

Ecuaii: Valoarea nomianal a debitului este:

qnom = displ . speed Presiunea de referin este luat ca o combinaie liniar a: press = fact . pin + (1 - fact) . pout Debitul de ieire este:

69

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

TRVEH0B autovehicul Descriere: TRVEH0B este un submodel dinamic simplu al masei vehiculului folosit pentru a calcula acceleratia longitudinala, viteza i deplasarea caroseriei. Exist o dispoziie de frecare vscoas, nclinaia drumului n procente i calcularea rezistenei aerului. Nu exist transfer de masa n timpul acceleratiei i frnrii care sa schimbe masa vertical. Se poate zice c modelul corpului mainii este un model 1D. Semnalul de intrare lipsit de dimensiune la iesirea 1 este interpretat n procente ca inclinarea drumului (100%=45grade). Momentul n Nm este dat de intrare pentru fiecare axa i viteza de rotatie n rev/min este dat de ieire pentru amndoua ieiri. Fecarea roii este modelat cu fecarea vascoas a vitezei vehiculului i constant a friciunii de rotire.

Variabile externe:

Ecuaii: Acceleratia este calculat de la cele fora longitudinala a celor 4 cauciucuri i fora aerodinamic: Fslope = Mcar . g . sin(arctan(slope / 100))

Suma tuturor forelor (rezisten i moment) este divizat de masa corpului care are acceleraie i care va fi integrat pentru a avea vitez i poziie. accel = (Fslope - Faero) / Mcar speed = accel . dt

Variante pentru sistemul recuperativ :

70

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

v=28 m/s Deosebirii: - sistemul de suspensie este format dintr-un singur arc

Fig. 1

Fig. 2

v=24 m/s Deosebirii: - sistemul de suspensie este format din arc i amortizor - orificiu, cu rolul de creare a unei rezisente locale

71

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

v=22 m/s Deosebiri: - sistemul de suspensie este format din arc i amortizor

Fig. 3

v=40 m/s Deosebirii: - sistemul de suspensie este format din dou amortizore - orificiu, cu rolul de creare a unei rezistene locale

Fig. 4

72

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

v=17 m/s Deosebirii: - sistemul de suspensie este format dintr-un singur arc - amortizorul repuperativ este cu dublu efect.

Fig. 5

Fig. 6

v=25 m/s Deosebirii: - sistemul de suspensie este format din arc i amortizor - orificiu, cu rolul de creare a unei rezistene locale - acumulator hidraulic de joas presiune

73

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

1. Suspensie clasica

9 7 8 4 8 6 3 2 5

1Fig 1. Suspensie clasica 1 sursa de semnal 2 convertor de semnal (deplasare liniara) 3 contact elastic (contactul dintre cauciuc i calea de rulare) 4 arc 5 amortizor 6 masa rotii 7 masa autovehiculului (1/4 din masa totala a autovehiculului descarcat) 8 tija de transfer liniar 9 sursa de forta zeroDescrierea modelului: Modelul suspensiei clasice este reprezentat n figura 1 i simuleaz trecerea autovehiculului peste diverse denivelri, putandu-se controla atat frecvena cat i amplitudinea lor cu ajutorul elementului 1 . Convertorul de semnal are rolul de a transforma semnalul n impulsuri care vor fi recepionate de ansamblul roii prin legatura elastic 3. Oscilaiile caucuicului vor fi transmise prin legatur 8 la elemntele suspensiei format din arcul 4 i armortizorul 5. Vibraiile amortizate vor ajunge la caroseria mainii reprezentat prin masa 7. Sistemul este inchis de sursa de for zero 9. Date de intrare :

74

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

75

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Rezultatele simularii:

76

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Simularea s-a realizat n softul AMESim 4.3.0,

77

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

78

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

79

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

80

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

81

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

82

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

83

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

84

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

8. Exemplu de proiectare funcional 3. Modelarea cu ADVISOR (ADvanced VehIcle SimulatOR)Introducere n ADVISOR ADVISOR este un produs software, dezvoltat iniial n cadrul National Renewable Energy Laboratory (instituie american aflat sub directa coordonare a Departamentului pentru Energie al Statelor Unite), bazat pe MATLAB i SIMULINK. ADvanced VehIcle SimulatOR reprezint, de asemenea, un set de modele, o baz de date i o colecie de rutine (scripturi) utilizate pentru analiza rapid a performanelor i economicitii autovehiculelor convenionale, electrice i hibride. ADVISOR este o soluie pentru simularea detaliat i analiza virtual a modelelor de grupuri de propulsie definite de utilizator, un punct de pornire pentru verificarea datelor experimentale provenite de la autovehicule reale, care pune n valoare flexibilitatea modelelor definite n SIMULINK i puterea analitic oferit de MATLAB. Urmtoarele pot fi considerate beneficiile utilizrii produsului ADVISOR: - estimarea consumului de combustibil i a nivelelor emisiilor de noxe ale autovehiculelor care nc nu au fost construite; - analiza utilizrii energiei n procesul de propulsie al autovehiculelor convenionale, electrice i hibride; - permite evaluarea emisiilor produse de un autovehicul care urmrete un anumit ciclu de ncercare; - evaluarea strategiei de management al energiei n cazul simulrii unui autovehicul hibrid; - optimizarea rapoartelor de transmisie (cazul transmisiilor convenionale) n scopul minimizrii consumului de combustibil sau/i maximizarea performanelor dinamice. Modelele existente n baza de date ADVISOR sunt bazate pe date experimentale de intrareieire msurate la autovehicule existente, n laborator, n condiii cvasi-statice, corectate pentru evaluarea efectelor tranzitorii (cum ar ineria componentelor transmisiei aflate n micare de rotaie). Printre utilizatorii mediului de simulare ADVISOR se numr companii de renume, cum ar fi: DaimlerChrisler, Ford Motor Company, Delphi Automotive Systems, Visteon etc. ADVISOR folosete legile de baz ale fizicii i date obinute prin ncercri n laborator pentru modelarea comportrii autovehiculelor existente sau viitoare. Adevrata putere a acestui pachet software const n posibilitatea de a prezice performanele energetice i ecologice ale autovehiculelor care nu au fost nc construite. n principal, exist dou etape care trebuie urmate de utilizator pentru a simula cu ADVISOR comportarea unui autovehicul: 1. Definirea unui autovehicul folosind valori numerice msurate (la componentele unui autovehicul existent) sau valori numerice estimate; 2. Generarea unei funcii vitez = f(timp) combinat cu o anumit nclinare longitudinal a drumului, pe care autovehiculul mai nainte definit trebuie s o parcurg. ADVISOR va putea rspunde la ntrebri similare cu: - Este vehiculul capabil s parcurg un anumit ciclu de ncercare?

85

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

- Ct de mult combustibil i/sau energie electric vor fi consumate pentru parcurgerea respectivului ciclu? - Cum variaz starea de ncrcare a bateriei de acumulatori n timpul parcurgerii ciclului? - Care va fi puterea maxim la roat? - Care vor fi distribuiile turaiei i momentului motor n timpul parcurgerii ciclului? - Care este randamentul mediu al transmisiei? - Modificnd iterativ compunerea (definiia) autovehiculului i/sau ciclul de ncercare pot fi obinute rspunsuri i la ntrebri de tipul: - La ce nclinare longitudinal maxim poate autovehiculul s menin indefinit o vitez constant de 100 km/h? - Care este cel mai mic motor care poate asigura o accelerare a unui anumit vehicul, de la 0 la 100 km/h, n 12 s? - Care este raportul de transmitere din reductorul central care maximizeaz economicitatea unui autovehicul care deccelereaz de la 100 km/h la 60 km/h n 2 secunde? - Care este sensibilitatea economicitii unui autovehicul la variaia masei autovehiculului, coeficientului aerodinamic sau altor parametrii ai autovehiculului sau componentelor acestuia? Deoarece programul este conceput modular, componentele ADVISOR pot fi relativ uor extinse i mbuntite. De exemplu, modelul electrochimic al unei baterii de acumulatoare, incluznd fenomenele fizice specifice de difuzie, polarizare i efecte termice, poate fi uor introdus n compunerea unui model de autovehicul pentru a interaciona cu un anumit model de motor termic. Limitri ale software-ului ADVISOR ADVISOR a fost dezvoltat ca un instrument de analiz, intenia original nu a fost aceea ca ADVISOR s reprezinte un instrument detaliat pentru concepie. Modelele incluse ca i componente sunt cvasi-statice i nu pot fi utilizate pentru a prezice fenomene cu o scar de timp mai mic de o zecime de secund. Vibraii fizice, oscilaii ale cmpului electromagnetic sau alte fenomene dinamice nu pot fi introduse n modelele ADVISOR. Totui, recente legturi cu instrumente software ca Saber, Simplorer sau Sinta/Fluint permit un studiu detaliat al acestor fenomene dinamice i implicaiilor acestora asupra modelelor generate n ADVISOR. Ca instrument de analiz, ADVISOR consider o anumit variaie a vitezei autovehiculului, impusa sau dorit, ca parametru de intrare i determin ce valori ale cuplului, turaiei i puterii grupului motopropulsor sunt necesare pentru ca modelului autovehiculului s poat parcurge traseul indicat ca variaie a vitezei n timp. Deoarece cursul de informaii parcurge o cale invers (de la roata motoare, la puntea motoare transmisie ambreiaj motor) ADVISOR, ca instrument software, este denumit i instrument de simulare invers.Interfaa grafic ADVISOR

ADVISOR ruleaz colaborativ cu MATLAB i SIMULINK. n figura 8.1 este prezentat fereastra de intrare n program, iar n figura 8.2 meniul de configurare iniial a autovehiculului.

86

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.1 Interfaa grafic de intrare n ADVISOR.

Fig. 8.2 Meniul pentru configurarea autovehiculului.

87

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

8.2 Modelarea autovehiculului special n ADVISOR 2002

Se poate configura att un autovehicul existent, folosind fiierele MATLAB existente n baza de date, ct i un autovehicul aflat n faza iniial de concepie, prin combinarea componentelor prezente n aceeai baz de date sau generarea unor fiiere MATLAB noi, folosind similaritatea cu cele existente. Pentru editarea unor noi fiiere este necesar cunoaterea programrii n mediul MATLAB i nelegerea modului cum sunt generate blocurile funcionale de simulare n SIMULINK. n figurile 8.3, 8.4, 8.5 i 8.6 sunt prezentate blocurile funcionale ale autovehiculului, motorului cu ardere intern, cutiei de viteze i transmisiei centrale. n anumite condiii, n fiecare din blocurile funcionale prezentate ca exemplu n respectivele figuri, se poate rula simularea (prelucrarea semnalelor de intrare astfel nct la ieire s rezulte semnalele caracteristice pentru autovehicul, motor, cutie de viteze i transmisie central.

Fig. 8.3 Modelul bloc al autovehiculului.

Fig. 8.4 Modelul bloc al motorului cu ardere intern.

88

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.5 Modelul bloc al cutiei de viteze.

Fig. 8.5 Modelul transmisiei centrale.Configurarea autovehiculului Autovehiculele militare au, de regul, o multitudine de sisteme auxiliare alimentate cu energie electric stocat la bordul autovehiculelor. Influenele acestor consumatori suplimentari asupra fluxului de putere util care ajunge la roile motoare ale autovehiculului pot fi corelate cu structura aleas a ciclului de ncercare. n figura 8.6 este prezentat ecranul de configurare pentru autovehiculul care va fi supus ncercrii virtuale.

89

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.6 Configurarea autovehiculului care va fi supus ncercrii virtuale. Pentru simulare a fost ales un motor similar cu motorul Diesel cu injecie direct 392 L4 DT alimentat cu motorin EURO 3. S-a luat n considerare o valoare de 80 kw a puterii efective maxime i un randament efectiv maxim de 41 %. Parametrii motorului au fost preluai din baza de date rezultat n urma ncercrilor experimentale descrise anterior. Cutia de viteze aleas a fost una convenional cu 10 trepte. Greutatea total a autovehiculului special a fost de 5806 kg. n figura 8.7 este prezent diagrama cmpurilor de echirandament a motorului iar n figura 8.8 diagrama cmpurilor de echiconsum ale motorului ales, date care vor fi folosite ca informaii de intrare n simulare.

Fig. 8.7 Diagrama cmpurilor de echirandament. 90

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.8 Diagrama cmpurilor de echiconsum. 8.3 Alegerea ciclului de ncercare tranzitoriu i parcurgerea acestuia n figura 8.9 este prezentat ecranul de configurare a ciclului de ncercare.

Fig. 8.9 Configurarea ciclului de ncercare. Parametrii principali ai ciclului tranzitoriu de ncercare sunt: 1780 s; Durata total a ciclului 91

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Distana echivalent ciclului 10,81 km; 70,49 km/h; Viteza maxim n timpul rulrii ciclului 21,86 km/h; Viteza medie 1,16 m/s2 ; Acceleraia maxim pe durata ciclului -1,79 m/s2 ; Deceleraia maxim 0,39 m/s2 ; Acceleraia medie -0,46 m/s2 ; Deceleraia medie Durata funcionrii n regimul de mers n gol 385 s; 18. Numrul de opriri Simularea parcurgerii ciclului de ncercare este considerat a avea loc la altitudinea 0 (nivelul mrii). n figurile 8.10 8.16 sunt reprezentate variaiile unor parametri ai motorului i autovehiculului n timpul parcurgerii ciclului de ncercare tranzitoriu.

Fig. 8. 10 Poziionarea punctelor de schimbare a treptelor n cmpul de turaii i momente ale motorului.

Fig.8.11 Poziionarea punctelor de funcionare n timpul parcurgerii ciclului tranzitoriu.

92

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.12 Variaia diferenei dintre viteza impus i viteza realizat de autovehicul, n funcie de timp, pe durata ciclului tranzitoriu.

Fig. 8.13 Variaia randamentului efectiv al motorului pe durata parcurgerii ciclului de ncercare tranzitoriu.

93

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.14 Variaia randamentului cutiei de viteze la funcionarea n ciclul de ncercare. Fig. 8.15 Valorile emisiilor de noxe (n g/kWh), estimate, n funcie de timp.

94

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.16 Variaiile temperaturilor (exprimate n oC) la nivelul cilindrilor motorului, blocului motorului (lichidului de rcire), accesoriilor motorului i n compartimentul motor pe durata parcurgerii ciclului tranzitoriu.8.4 Concluzii

Analiza rezultatelor obinute n urma simulrii parcurgerii ciclului de ncercare tranzitoriu definit mai sus, de ctre autovehiculul echipat cu motorul 392 L4 DT, a permis evidenierea urmtoarelor valori sintetice: 21,0432 l/100 km; Consum mediu de combustibil Randamentul efectiv al motorului, valoare medie 31,4161 %; Randamentul efectiv al transmisiei, valoare medie 92 %; 30,7551 g/km; Emisii de hidrocarburi ne-arse 0,069457 g/km; Emisii de monoxid de carbon 53,2726 g/km. Emisii de oxizi de azot n figura 8.17 este sunt prezentate sintetic o parte din datele finale calculate la sfritul ciclului de ncercare.

95

B A Z E L E

P R O I E C T R I I


M E C A N I C E

Fig. 8.17 Vizualizarea rezultatelor la finalul ciclului de ncercare tranzitoriu. Se poate concluziona c ADVISOR (versiunea 2002 a fost folosit n cadrul prezentei lucrri) este o soluie puternic pentru simularea detaliat i analiza virtual a autovehiculelor speciale. Au fost posibile urmtoarele rezultate: - estimarea consumului de combustibil i a nivelelor emisiilor de noxe ale autovehiculelor care nc nu au fost construite; - evaluarea emisiilor produse de un autovehicul care urmrete un anumit ciclu de ncercare; - evaluarea bilanului energetic al autovehiculului special care parcur

Ispas Bazele Proiectarii Subansamblurilor Mecanice

Documents

Transcript of Ispas Bazele Proiectarii Subansamblurilor Mecanice