Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Seminární práce Jan Večerek 2019 1 Vysoká škola technická a ekonomická Seminárni práce pro předmět Části a mechanismy strojů II. Převodovaná přední ramena pro Trikoptéru Elektra 250 Autor seminární práce: Vedoucí seminární práce: Jan Večerek doc. Ing. Petr Hrubý, CSc. 2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto seminární práci vypracoval/a samostatně pouze s použitím uvedených zdrojů. V Českých Budějovicích 3 Obsah 1 Úvod...............................................................................................................................6 2 Cíl práce..........................................................................................................................7 3 Teoreticko-metodologická část........................................................................................8 3.1 Literární rešerše........................................................................................................8 3.2 Použitý filament.......................................................................................................8 3.2.1 PLA (polylactic acid - kyselina polymléčná)....................................................8 3.2.2 Nylon (PA- Polyamid).......................................................................................9 3.2.3 NYLON PÁJET 1.75MM NATURAL 0,5 KG FILAMENT PM.....................10 3.3 ServoHS-45HB.....................................................................................................11 3.4 Ložisko MR 85 EZO..............................................................................................13 3.5 Úvod do problému..................................................................................................14 3.6 Ozubené převody...................................................................................................14 3.6.1 Tvar boku zubu...............................................................................................15 3.6.2 Geometrie zubů...............................................................................................15 3.6.3 Čelní ozubení / převody s rovnoběžnými osami ozubených kol.......................16 3.6.4 Čelní ozubení se šikmými zuby.......................................................................16 3.7 Ložiska:.................................................................................................................19 3.7.1 Radiální jednořadé kulové ložisko...................................................................19 3.8 Výzkumný problém................................................................................................20 3.9 Výpočty:................................................................................................................21 3.10 Metodika práce....................................... ................................................................23 4 Aplikační část a diskuse výsledku.................................................................................24 4.1 Aplikační část.........................................................................................................24 4.1.1 Výroba základny dronu Trikoptéra 250...........................................................24 4 4.1.2 Modelování a výpočet ozubých kol.................................................................24 4.1.3 Výpočet osové vzdálenosti dvou středních kol.................................................28 4.1.4 Vložení ozubených kol do základny................................................................28 4.1.5 Konečná fáze s elektronikou............................................................................30 4.2 Diskuse výsledků...................................................................................................31 4.3 Návrhy opatření......................................................................................................33 5 Závěr.............................................................................................................................34 Seznam zdrojů......................................................................................................................35 Seznam použitých zkratek....................................................................................................37 Seznam tabulek popř. obrázků..............................................................................................39 5 1 Úvod V seminární práci je popsán návrh a konstrukce převodu mezi dvěma pohyblivými předními rameny Trikoptéry a servopohonem ukrytým v trupu dronu. Práce zahrnuje teoretickou i aplikační část, výpočty a screeny 3D modelů tvořených v Autodesk Inventoru Professional 2018. Celý projekt bude vytištěn na 3D tiskárně. Ozubená kola budou tištěna z nylonového filamentu, zbytek pak z materiálu PLA. Zadání bylo vybráno z důvodu osobního zájmu o vytvoření efektivní mechanické převodovky vyklápějící a zaklápějící ramena dronu k trupu pomocí jednoho serva. 6 2 Cíl práce Cílem seminární práce je vytvořit funkční převod mezi dvěma pohyblivými předními rameny Trikoptéry a servopohonem ukrytým v trupu dronu. Měnný úhel ramen od trupu by se měl pohybovat od 0° do 120°. K dosažení tohoto efektu využijeme 4 ozubených kol, servopohonu a tří ložisek. Pracovní prostor, do kterého by se převodovka měla vejít, je 100x30xl0mm. Systém převodů nám po vysunutí do požadovaného úhlu má zajistit fixaci ramen. 7 3 Teoreticko-metodologická část 3.1 Literární rešerše K danému tématu nám bylo poskytnuto v Informačním systému v sekci učební materiály velké množství odborné literatury i materiálů z kterého máme možnost čerpat. Projekt „Trikoptéra Elektra 250" je založen převážně na výrobě komponentů z 3D tištěných materiálů. Informace jsem čerpal ze stránek Creative mechanism, materiálpro 3D a blog.vyoralek. Dále také z Průša stránek a materiálpro 3D. K výpočtu a problematice návrhu převodovky byly dobrým zdrojem informací stránky Mlgeardesigns, E-konstruktér a moodle. Asi nejcennějším zdrojem se stal Eluc. 3.2 Použitý fúament 3.2.1 PLA (polylactic acid - kyselina polymléčná) Polylaktická kyselina (PLA) je odlišná od většiny termoplastických polymerů v tom, že je odvozena z obnovitelných zdrojů, jako je kukuřičný škrob nebo cukrová třtina. Naproti tomu většina plastů pochází z destilace a polymerace neobnovitelných zásob ropy. Plasty, které jsou odvozeny z biomasy (např. PLA), jsou známé jako „bioplasty". Polylaktická kyselina je biologicky rozložitelná a má vlastnosti podobné polypropylenu (PP), polyethylenu (PE) nebo polystyrenu (PS). Může být vyrobena z již existujících výrobních zařízení (těch, která byla navržena a původně používána pro plasty petrochemického průmyslu). Díky tomu je výroba relativně nákladově efektivní. V souladu s tím má PLA druhý největší objem výroby jakéhokoliv bioplastu (nejběžnější je typicky uváděn jako termoplastický škrob). (Creative mechanism, 2015) PLA Hustota (kg/m3) 1250 Teplota extrudéru (°C) 150 - 210 Teplota trysky (°C) 180 - 230 Teplota podložky (°C) 20-60 Tisková podložka Nepovinná Komora při tisku Nepovinná Přilnutí první vrstvy Dobré Výpary Skoro žádné Absorbce vlhkosti Ano Youngův modul (GPa) 3,5 8 Modul pružnosti (GPa) 4 Pevnost v ohybu (MPa) 80 Poměr pevnosti k hmotnosti (kN*m/kg) 40 Pevnost v tahu (MPa) 110 Odolnost proti nárazu (J/m) Ne Tvrdost Rockwell R - Teplota skelného přechodu (°C) 60 Deformace při teplotě (°C) 65 Teplota tání (°C) 160 Tepelná kapacita (J/kg*K) 1800 Tepelná vodivost (W/m*K) 0,13 Tepelná difuzivita (mA2/s) 0,058 Tab: 1. Vlastnosti materiálu PLA pro 3D tisk (materiálpro 3D a blog.vyoralek, 2017) Obr. 2. PLA filament (Prusa , 2019) 3.2.2 Nylon (PA- Polyamid) Polyamid (PA) má vysokou pevnost a odolnost proti otěru, je chemicky odolný a dobře absorbuje vibrace. Má vynikající zpracovatelnost, dá se snadno řezat, ohýbat, frézovat a vrtat. Vyrábí se v různých modifikacích - nejběžnější je PA 6. Dalšími typy jsou PA 6.6, PA 11, PA 12, které mohou mít ještě různá plniva pro vylepšení zejména kluzných vlastností. Snáší provozní teploty od -40 do +100 °C. Materiál je dostupný standardně v přírodní (mléčné) barvě, některé typy i v černé. Polyamid má široké využití, vyrábí se z něj trubková a kluzná ložiska, podložky, válce pro dopravníky, ozubená kola, řetězová kola, těsnící kroužky, izolátory apod. Je dostupný jak v deskách, tak i v plných a dutých tyčích (na poptávku). (Vink, 2019) 9 Je flexibilní v tenkých vrstvách, ale s velmi vysokou adhezí (přilnutí) mezi vrstvami. Jeho nízký součinitel tření a vysoká teplota tání je vynikající volbou pro tisk funkčních a technických dílů. Je velmi hygroskopický, to znamená, že rychle absorbuje vodu ze vzduchu. Aby tisk s nylonem byl úspěšný, musí být vlákno suché. Pokud suché není, vzniknou na materiálu bublinky. Suché nylonové vlákno tiskne hladké předměty s lesklým povrchem. hustota: 1100 kg/m3, množství vlákna na lkg cívce: 909 cm3 teplota extrudéru: 235 - 260 °C, teplota podložky: 100 - 130 °C Varianty Nylonu: Nylon 618 - je nejpopulárnější. Má přirozenou bílou barvu. Nylon 645, který je dostatečně jasný, aleje velmi obtížné s ním pracovat. Nylon FX256 je mnohem méně křehký a tudíž pevnější než ABS a PLA. Nylon PAóPolymer (polyamid 6), což je velmi odolný materiál a používá se k tisku extrémně robustní a těžkých nákladních dílů. Vlákna z nylonu PA6 jsou těžké, mají vysokou pevnost v tahu, lesk a pružnost. Tento materiál je široce používán automobilky díky své velké trvanlivosti, (materiálpro 3d, 2017) 3.2.3 NYLON PÁJET 1,75MM NATURAL 0,5 KG FILAMENT PM 10 Termoplast vhodný pro technické a mechanicky namáhané díly s tiskovými parametry obdobnými jako ABS: teplota HE 235 °C teplota HB 110°C rychlost tisku 40 mm/s bezprůvanové temperované prostředí tisk bez ofuku objektu tisková podložka kapton, silnější Ultem nebo obyčejný kancelářský papír přilepený lepidlem na vyhřívaném skle. PAJet je složený z amidických skupin o určitém počtu v makromolekule. Tento počet skupin při polymeraci dává PAJetu vlastnosni vhodné pro tisk náročnějšího inženýrského plastu i na stolních tiskárnách. Vlastnosti tohoto tiskového média jsou specifické oproti běžným materiálům, a to vyšší tepelná odolnost do 160°C, vyšší rázová houževnatost a vysoká odolnost vůči oděru. Díky vysoké odolnosti proti oděru a vysoké rázové houževnatosti je PAJet využíván pro tisk kluzně namáhaných ložisek, spojů, distančních prvků a čepů. (materiálpro 3d, 2019) 3.3 Servo HS-45HB A Diameter (L) B O JUL K H nzL M A = 0,392 "(9,96 mm) B = 0,294" (7,48 mm) C = 0,823 "(20,90 mm) E =0,193" (4,90 mm) F = 0,752 "(19,09 mm) G = 0,352" (8,93 mm) H = 0,604 "(15,35 mm) J = 1,323" (33,60 mm) K = 0,276 "(7,00 mm) L =0,078" (1,98 mm) M = 0,944 "(23,99 mm) X = .096 "(2,43 mm) Obr. 4. Servo HS-45HB (Servocity, 2019) 11 Cena výrobku Hmotnost produktu Styl výstupního hřídele Rozsah napětí Rychlost bez zatížení (4,8 V) Rychlost bez zatížení (6,0V) Stohový moment (4.8V) Stojanový moment (6.0V) Max. Rozsah signálu PWM (standardní) Cestování za jis Max. Cestování Amplituda impulsu Provozní teplota Odtok proudu - volnoběh (4.8V) Odtok proudu - bez zátěže (4.8V) Modifikovatelné kontinuální rotace Směr w / Zvýšení PWM signálu Šířka mrtvého pásma Typ motoru Pohon potenciometru Styl zpětné vazby Podpěra výstupního hřídele Typ převodovky Materiál převodovky Délka drátu Drátoměr 350 Kč 0,28oz (8g) 15 zubů ( Aj_) spline 4.8V - 6.0V 0,14 s / 60° 0,12 s/60 ° 13,88 oz/in. 17 oz / in. 790-2405 usec .118 "I usec 191 °C 3-5V -20 ° C až + 60 ° C 8mA 100mA Ne Ve směru hodinových ručiček 3 Pole Ferrit Přímý pohon 5k£2 Potenciometr Horní kuličkové ložisko Přímý řez Karbonit 6,29 "(160 mm) 28AWG Tab: 2. Parametry serva HS-45HB (Servocity, 2019) 12 3.4 Ložisko MR 85 EZO D d Obr. 5. Ložisko MR 85 EZO (Prumex, 2019) Výrobce: EZO Katalogové číslo: L.MR85 EZO Cena výrobku: 88-106 Kč EZO ložisko MR85 - nerozebíratelné jednořadé radiální kuličkové ložisko s ocelovou klecí a s normální radiální vůlí. Klec ložiska MR 85 je vedena kuličkami. Parametry: Klec Materiál Profil díry Průměr d (mm) Průměr D (mm) ocelová ocel válcová 5 Šířka B (mm) Typ Vůle Znaěka výrobce Ložiska kuličková normální ezo (Prumex, 2019) 13 3.5 Úvod do problému Převod mezi předními rameny a servopohonem tvoří jednu ze základních mechanických částí dronu. Budou na ni kladeny nemalé podmínky z hlediska odolnosti materiálu i konstrukce. Budeme muset předpokládat namáhání v zubech a utvořit převody tak, aby nevznikaly vůle a aby bylo dosazeno požadované fixace/aretace v režimu letu. Musíme hledět i na hmotnost převodovky. Ta je velice důležitá zejména pro dosažení co nejmenší letové váhy dronu. V projektu je plno věcí, které by bylo zajímavé navrhnout, propočítat, vyřešit a případně vylepšovat. 3.6 Ozubené převody Jsou to nejčastěji používané mechanické převody. Ozubená kola přenášejí točivé a kroutící momenty bezprostředně z jedné hřídele na druhý. Přenos sil lze řešit tvarovým stykem nebo bez prokluzu. Dvojicí ozubených kol lze dosáhnout požadovaného převodu, změnou kroutícího momentu, počtu otáček, smysl otáčení. (moodle, 2015) Převodový poměr je u převodů ozubenými koly stálý - neměnný. Nevýhodami ozubených převodů jsou velká hlučnost, netlumení rázů, konstrukční a výrobní složitost a jsou vhodné jen pro malé osové vzdálenosti hřídelů. Základní ozubený převod se skládá ze dvou ozubených kol: • hnacího ozubeného kola, • hnaného ozubeného kola. Menší ozubené kolo nazýváme pastorek (1), větší nazýváme ozubené kolo (2). (Eluc,2018) 14 1 i i i 'ľ—i ; i—? Obr. 6. Pastorek a ozubené kolo (Eluc, 2018) 3.6.1 Tvar boku zubu Evolventní bok zubu je malou částí evolventy. Vzniká odvalováním bodu tvořící přímky po základní kružnici. Evolventní ozubení je necitlivé na malé změny vzdálenosti os hřídelů. Výhody: snadná a silná pata zubu Cykloidní tvar boku zubu je malou částí cykloidy. Cykloida vzniká odvalováním bodu tvořící kružnice po základní kružnici (méně časté použití) (moodle, 2015) 3.6.2 Geometrie zubů Převody ozubenými koly rozdělujeme podle vzájemné polohy os spolu zabírajících kol: • převody s rovnoběžnými osami, Obr. 7. Převody s rovnoběžnými osami (Eluc, 2018) • převody s různoběžnými osami, 15 » t>) c} Obr. 8. Převody s různoběžnými osami (Eluc, 2018) • převody s mimoběžnými osami. Obr. 9. Převody s mimoběžnými osami (Eluc, 2018) 3.6.3 Celní ozubení / převody s rovnoběžnými osami ozubených kol Jsou to čelní soukolí s vnějším nebo vnitřním ozubením a mohou mít zuby uspořádány jako: - přímé, - šikmé, - šípové. Vnitřní ozubení se používá tam, kde potřebujeme co nejmenší osovou vzdálenost. (Eluc, 2018) 3.6.4 Celní ozubení se šikmými zuby U kol se šikmými zuby rozeznáváme: • normálový profil zubů - profil zubů v normálové rovině N-N kolmé na boční přímku zubů; je totožný s nomalizovaným základním profilem (index n), • čelní profil zubů - profil zubů v čelní rovině T-T (index t). 16 Obr. 10. Převody s mimoběžnými osami (Mlgeardesigns, 2013) Ozubená kola jsou velmi přesné součásti zhotovované na speciálním stroji za použití speciálního nářadím. Základní veličinou ozubeného kola je modul. Modul je část průměru roztečné kružnice připadající najeden zub. Spolu zabírající kola musí mít stejný modul. Velikost modulu je normalizována a všechny ostatní rozměry ozubeného kola jsou od něj odvozeny. (MLGEARDESIGNS, 2013) 17 Obr. 11. Rozměry soukolí (Mlgeardesigns, 2013) U ozubeného kola rozeznáváme tyto hlavní pojmy: - průměr hlavové kružnice da, - průměr roztečné kružnice d, - průměr patní kružnice df, mezi hlavovou a patní kružnicí je výška zubu h, - výška zubu je roztečnou kružnicí rozdělena na výšku hlavy zubu ha a výšku paty zubu hf - mezi jednotlivými zuby je zubní mezera e, - tloušťka zubu s i velikost zubní mezery se měří na roztečné kružnici, - rozteč zubů P je vzdálenost os dvou sousedních zubů na roztečné kružnici, protože osy nelze měřit, můžeme rozteč definovat i jako vzdálenost bodů roztečné kružnice na stejném boku dvou zubů. - hlavová vůle ca je vzdálenost mezi výškou hlavy a výškou paty spolu zabírajících kol. (mujsolidworks, 2017) 18 3.7 Ložiska: Ložiska se používají ke snížení tření. Při kontaktu kovu s kovem dochází k velkému tření. Třením se zvyšuje opotřebení kovu, protože dochází k jeho pomalému obrusovaní. Ložiska omezují tření tím, že umožňují, aby se oba povrchy vzájemně odválo valy, čímž se snižuje míra vznikajícího tření. Skládají se z hladkých kovových kuliček nebo válečků, které se valí po hladkém vnitřním a vnějším kovovém povrchu. Válečky nebo kuličky přebírají zatížení, a tím umožňují, aby se zařízení otáčelo. Zatížení působící na ložisko je buď radiální, nebo axiální. V závislost na svém umístění v mechanizmu může být ložisko vystaveno jen radiálním nebo axiálnímu zatížení nebo kombinaci obou. Například ložisko v kole vašeho auta zachycuje jak radiální, tak axiální zatížení. Hmotnost auta působící na ložisko vytváří radiální zatížení, zatímco axiální zatížení vzniká, když auto zatáčí. Rozdělení: Kuličkové ložisko Axiální kolové ložisko Kuličkové ložisko jednořadé Axiální kuličkové ložisko Kuličkové s kosoúhlým stykem Axiální válečková ložiska Kuličkové dvouřadé naklápěcí Axiální soudečková ložiska Válečkové ložisko Příčně dělená ložiska Kuželíkové ložisko Ložiska pro železniční aplikace Soudečkové ložisko Speciální valivá ložiska Jehlové ložisko (e-konstrukter A ZKL, 2015) 3.7.1 Radiální jednořadé kulové ložisko Kuličková ložiska jsou nejběžnějším typem ložisek a mohou zvládat jak radiální, tak axiální zatížení. Kuličková ložiska se také označují jako jednořadá ložiska s hlubokou drážkou neboli 19 Conradova ložiska. Vnitřní kroužek je obvykle připevněn na otočnou hřídel a drážka na jeho vnějším průměru slouží jako kruhová oběžná dráha pro kuličky. Vnější kroužek je upevněn do ložiskového pouzdra. Kulové valivé elementy jsou umístěny v kroužku s oběžnou dráhou a působící zatížení se přenáší z vnějšího kroužku na kuličku a z kuličky na vnitřní kroužek. Drážky oběžných drah mají obvykle poloměry zakřivení odpovídající 51,5 % až 53 % průměru kuličky. U oběžných drah s menším poloměrem zakřivení může velmi podobný tvar kuliček a drah vyvolávat velké valivé tření. U oběžných drah s větším poloměrem zakřivení se může zkracovat únavová životnost z důvodu zvýšeného namáhání v menší styčné ploše mezi kuličkou a kroužkem. KULIČKOVÉ LOŽISKO Obr. 12. Kuličkové ložisko (e-konstrukter, 2015) Místo dotyku mezi kuličkou a vnějším kroužkem s oběžnou dráhou je kvůli kulovému tvaru valivého elementu velmi malé. To také napomáhá velmi hladkému otáčení kuličky. Vzhledem k tomu, že je místo dotyku tak malé, může dojít v určitém místě k přetížení valivého elementu, které způsobí deformaci kuličkového ložiska. Tím se ložisko zničí. Kuličková ložiska se obvykle používají v aplikacích s relativně malým zatížením. (e-konstrukter, 2015) 3.8 Výzkumný problém Známé či zadané parametry: 20 Osová vzdálenost mezi největšími vnějšími ozubenými koly je 60 mm. Servo výstup 140° Pracovní úhel ramen 0-120° Použité ozubení: přímé ozubení se šikmými zuby Šířka ozubeného kola 4 mm Použitý materiál Nylon Radiální ložiska: 3x kuličkové jednořadé Úhel sklonu zubů p =40° Uhel záběru a = an = 20° Smysl stoupání boční křivky zubu - levý, 3.9 Výpočty: Při výpočtu rozměrů šikmých zubů vycházíme ze dvou geometrických rovin - čelní (T) a normálové (N). Obě roviny mají svůj vlastní modul. Vzájemný vztah mezi moduly je: cos /? Obdobně i mezi roztečemi zubů v obou rovinách platí: cos/? V normálové rovině má ozubení svůj základní tvar. Odvozujeme v ní rozměry zubů: 7?i„ = m výška hlavy zubu K =™« výška paty zubu hf = 1.25 ■ mn normálová rozteč tn = n ■ mn normálová tloušťka zubu (na roztečné kružnici) 21 V tečné rovině odvozujeme rozměry celého kola: roztečná kružnice z ■ mn D = z- mt =-- cos p výška hlavy zubu Da = D+2-ha = ^ + 2-mn patní kružnice Df = D - 2 ■ hf =-J - 2,5 ■ m J J COS/í základní kružnice Db = D ■ cos a Pro vzdálenost os v soukolí se šikmým ozubením pak platí: ti D1 + D2 Zi+Z2 ™-n A — 2 2 cos/? Z uvedeného vztahu vyplývá, že osová vzdálenost soukolí závisí na uhlu sklonu p. Je-li třeba šikmé ozubení korigovat, provádí se korekce v normálové rovině: výška hlavy zubu K = mn + x ■ mn výška paty zubu hf = 1,25 ■ — x • mn čelní úhel záběru ... at = acrtg (tg an/ cos P) stoupání šroubovice ... L = (71 x D) / tg P čelní tloušťka zubu ... st = tt / 2 22 šířka ozubení ... b = \j/m x mn (e-konstrukter, 2015) Obr. 13. Sklon zubu (slideplayer, 2017) (mujsolidworks a slideplayer, 2017) 3.10 Metodika práce Postup naší práce byl následovný: 1. Vymodelování základny Trikoptéry Elektra 250 pro uchycení ozubených kol a vymezení pracovního prostoru. 2. Návrh a výpočet ozubených kol pomocí vzorců, tabulek a programu Adobe Invertor Professional 2018. 3. Výběr vhodného 3D tištěného materiálu pro náš převod. 4. Vymodelování a navazbování modelu i převodovky. 5. Tisk dílů na 3D tiskárně Originál Průša 13 MK3S 23 4 Aplikační část a diskuse výsledku 4.1 Aplikační část 4.1.1 Výroba základny dronu Trikoptéra 250 Díky tomu, že jsme si zvolili dron třídy 250, naše rozměrové parametry byly již od začátku pevně dané, mohli jsme si ale vyhrát s designovou stránkou základny. Návrh byl vymodelován v programu Adobe Inventor 2018 Obr. 14. Základna a díry s osovou vzd. 60 mm (Vlastní, 2019) Vnějších kola jsou od sebe vzdáleny 60mm. 4.1.2 Modelování a výpočet ozubých kol Ozubení bude přímé se šikmými zuby. Osová vzdálenost mezi největšími vnějšími ozubenými koly je 60 mm. Servo výstup činí 140°. Požadovaný pracovní úhel ramen je 0-120°. Šířku ozubeného kola volíme podle materiálu (Nylon) 4 mm. Uhel sklonu zubů je P =40° a úhel záběru a = an = 20°. Smysl stoupání boční křivky zubu soukolí 1 je levotočivý. 24 Převodový poměr jsme vypočítali ze vztahu Servo výstup / Soukolí ramen = 160° /120° = 1,166 Modul je 0,5 mm Počet zubů kola 1 je 29. Šířka ozubení = 4 mm Jednotkové posunutí volíme 0 Následné parametry zadáme do programu Adobe Inventor Probessional 2018 do Generátoru komponent. Do kolonky SPOLEČNÉ - SCÉNÁŘ NÁVRHU zadáme CELKOVÁ JEDNOTKOVÁ KORELACE. Generátor komponent - čelní ozubená kola Návrh f$ Výpočet Společné Scénář návrhu Celková jednotková korekce Požadovaný převodový poměr Vnitrní Vzdálenost os 1,166 ul Modul Kolol Komponenta Počet zubů 29 ul Šířka ozubení 4,000 mm 0,500 mm v 20,8 mrn v Válcová plocha ^ Počáteční rovina Jednotkové posunutí 0,0000 ul Úhel profilu Úhel sklonu 20,0000 deg 40,0000 deg Scénář jednotkového posunutí Vlastní Celková jednotková korekce 0,1917 ul Náhled... Kolo 2 Žádný model Počet zubů 34 ul Šířka ozubení Válcová plocha ^5 Počáteční rovina Jednotkové posunutí 4,000 mm 0,4917 ul Vypočítat OK Storno Obr. 15. Návrh čelního ozubení se šikmými zuby (Vlastní, 2019) 25 Po vyplnění tabulky potvrdíme tlačítko OK a vygeneruje se nám ozubení Obr. 16.1. soukolí (Vlastní, 2019) Tento postup opakujeme i pro druhou stranu soukolí, jen zvolýme smysl otáčení pravotočivý. Sestavu ozubení propojíme vazbou. Obr. 17. Sestava pravotočivých a levotočivých soukolí (Vlastní, 2019) 26 Rozměr Kola 1 Náhled Rozměry síť zubů Síťozubnice s pastorkem Síť převodu a ozubnice Rozměry Výsledky P:- lr852rnm P 1,571 mm Pt 2,051 mm a 20,560 mm rj~ 25,4138 deg 22,1851 deg "Z, 26,7706 deg d 18,928 mm db 17,097 mm d: 17,678 mm 19,916 mm 10,025 mm -,. 7,000 ul M 20,611 mm t: 0,694 mm ac= 0,368 mm Rozměr Kola 2 Obr. 18. Rozměry Kola 1 (Vlastní, 2019) Náhled Rozměry síť zubů Síťozubnice s pastorkem Síť převodu a ozubnice Rozměry Výsledky 1,852 mm P 1,571 mm P: 2,051 mm í 20,560 mm 'J-. 25,4138 deg 22,1851 deg 26,7706 deg d 22,192 mm db 20,044 mm d: 21,434 mm d. 23,6 72 mm VY 13,219 mm -.. 9.000 ul M 24.309 mm *: 0,852mm 27 Obr. 19. Rozměry Kola 2 (Vlastní, 2019) ac= 0,585 4.1.3 Výpočet osové vzdálenosti dvou středních kol Obr. 20. Výpočet a posun osových vzdáleností děr a ozubených kol (Vlastní, 2019) a2 = x2 + y2 x = V(a2"y2) x = 3,3034 mm 4.1.4 Vložení ozubených kol do základny Vložíme ozubená kola do základny a zavazbíme. Následně vytvoříme kryt ozubení. K vnější ozubeným kolům do modelujeme ramena pro úchyt motorů a nastáváme úhel ramen na 120° od sebe. 28 Obr. 21. Vložení ozubených kol do základny (Vlastní, 2019) Vymodelujeme ložiska i servo a přidáme jej do naší sestavy. Servo je k základně fixováno v ložích a zajištěno dvěma šrouby. Točivý moment serva se napřímo přenáší do ozubení. Obr. 22. Vložení ozubených kol do základny i s ložisky (Vlastní, 2019) Pro kontrolu si promítnemejelou sestavu do našeho pracovního prostoru a vidíme, že jsme splnili naše počáteční požadavky. 29 Obr. 23. Kontrola dodržení pracovního prostoru (Vlastní, 2019) 4.1.5 Konečná fáze s elektronikou Doděláme druhou horní základnu, vymodelujeme motory i vrtule a náš koncept je hotov. Obr. 24. osazení ramen elektronikou (Vlastní, 2019) 30 4.2 Diskuse výsledků Pro zadané veličiny nám výpočty vychází takto: Generátor komponent - čelní ozubená kola jF Návrh Výpočet Metoda pevnostního výpočtu ISO 6336:1996 Zatížení Výkon Otáčky Kroutící moment Účinnost Materiálové hodnoty Kolo 1 Kolo 2 Mez únavy v ohybu Mez únavy v dotyku Modul pružnosti Poissonova konstanta Tepelné zpracování □ Vlastní □ Vlastní Požadovaná životnost Kolo 1 Kolo 2 0r980 ul 7F ~ E 11 Lh 10000 hr 1,000 kw > 0,980 kW 1000,00 rprn > 852,94 rprn 9,549 N m 10,972 N m 352,0 MPa > 352,0 MPa > 1140,0 MPa > 1140,0 MPa > 206000 MPa > 206000 MPa > 0,300 ul > 0,300 ul > 2ul > Zul > Součinitelé Přesnost Výsledky F: F-F, F- v "El Kolol Kolo 2 997,357 N 503,158 N 836,382N 1406,048 N 0,991 rnps 47399,182 rprn 0,537 ul 0,397 L 0,472 L 0,670 ul 0,587 ul 0,413 ul 0,472 li 0,667 ul Vypočítat Obr. 25. Výpočty pevnostní (Vlastní, 2019) OK Storno Zuby dokonale dosedají a mají dostatečnou vůli. Nedochází k podřezávání zubů. Obr. 26. Animace chodu zubů (Vlastní, 2019) 31 Náhled Rozměry Síť zubů Síťozubnice s pastorkem Síť převodu a ozubnice M 1 ► Obr. 26. Síť zubů (Vlastní, 2019) Model jsme zkompletovaly. Přidali elektroniku a zadní rameno. Po nastavením rotace ozubení se nám ramena sklápí od 0 do 120°. Obr. 26. Sklápění ramen 0-120° (Vlastní, 2019) 32 4.3 Návrhy opatření Celý mechanismus následně otestujeme v praxi, kde se vystaví účinkům tahu motoru a provozním teplotním podmínkám. Budeme sledovat i životnost ozubení / ložisek, které budou vystaveny vlhkosti a prachovým či pylovým nečistotám a mnoha dalším faktorům. 33 5 Závěr Ozubený převod jsme „v programu Adobe Inventor Professional 2018" navrhli, vypočítali, sestrojili a naanimovali pohyb ozubených kol. Díky točivému momentu serva (s pracovním úhlem 140°) a použitou převodovkou (s přímým ozubením se šikmými zuby) se moment přenesl až na ramena. Ty pak dokážou pracovat v rozsahu od 0 do 120°. Použitý materiál Nylon je jeden znejlepších dostupných 3D tištěných materiálů, které jsme pro naší převodovku mohli použít. Má vynikající vlastnosti (pevnost, odolnost, vysokou adheznost, nízký součinitel tření a vysokou teplotu tání) a při zachování poměrně malé hmotnosti. Vytvořili jsme funkční převodovku, která bude nadále testována na dronu Trikoptéra Elektra 250. 34 Seznam zdrojů Creativemechanisms, 2015, In: https://www.creativemechanisms.com/ [online] [cit 2019-3-10] Dostupné z: https://www.creativemechanisms.com/blog/learn-about-polylactic-acid-pla-prototypes ELUC, 2018, In: https://eluc.kr-olomoucky.cz/ [online] [cit 2019-3-18] Dostupné z: https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/1904 e-konstrukter, 2015, In: https://e-konstrukter.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://e-konstrukter.cz/novinka/jaky-je-rozdil-mezi-ruznymi-druhy-lozisek Mlgeardesigns, 2013, http://mlgeardesigns.blog.cz/ In: [online] [cit 2019-3-8] Dostupné z: http://mlgeardesigns.blog.cz/1310/jak-zjistit-modul-ozubeneho-kola moodle, 2015, In: https://www.moodle-trebesin.cz/ [online] [cit 2019-3-16] Dostupné z: https://www.moodle- trebesin.cz/pluginfile.php/9978/mod resource/content/0/QZUBEN%C3%81%20KQLA%20 %C4%8CEL.N%C3%8D.pdf prumex, 2019, In: https://www.prumex.cz/ [online] [cit 2019-4-7 Dostupné z: https://www.prumex.cz/lozisko-mr85-ezo/ Prusa Research s.r.o., 2019, In: https://shop.prusa3d.com/cs/ [online] [cit 2019-4-20] Dostupné z: https://shop.prusa3d.com/cs/prusament/716-prusament-pla-azure-blue-lkg.html servocity, 2019, In: https://www.servocity.com/ [online] [cit 2019-4-10] Dostupné z: https://www.servocity.com/hs-45hb-servo Slideplayer, 2017, In: https://slideplayer.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://slideplaver.cz/slide/5934847/ solidify 3D s.r.o., 2017, In: https://www.materialpro3d.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://www.materialpro3d.cz/materialovy-slovnik/pla/ solidify 3D s.r.o., 2017, In: https://www.materialpro3d.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://www.materialpro3d.cz/blog/rozdily-abs-pla-petg/ 35 Solidify 3D s.r.o., 2017, In: https://www.materialpro3d.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://www.materialpro3d.cz/materialovv-slovnik/nylon/ Solidify 3D s.r.o., 2019, In: https://www.materialpro3d.cz/ [online] [cit 2019-4-16] Dostupné z: https://www.rrmterialpro3d.cz/tiskove-struny-filamenty/nylon-paiet-l-75mm-natural-0-5-kg-filament-pm/?fbclid=IwAROWFvggAFKMQIqI-2Y52p3oQ6uNs2ToeMKGckbraMDxMui6cuncd7sibvk SolidVision, s.r.o, 2017, In: http://www.mujsolidworks.cz/ [online] [cit 2019-4-7] Dostupné z: http://www.mujsolidworks.cz/postup-modelovani-celniho-ozubeneho-kola-se-sikmymi-zuby/ Vink - Plasty s.r.o., 2019, In: http://www.vink.cz/ [online] [cit 2019-3-14] Dostupné z: http ://www .vink.cz/polyamid Vyoralek, 2017, In: https://blog.vyoralek.cz/ [online] [cit 2019-3-9] Dostupné z: https://blog.vyoralek.cz/3d-tiskarny/jaky-pouzit-material-3d-tisk-pla-vs-abs/ ZKL Tech Tools, a.s, 2015, In: http://www.zkl.cz/cs [online] [cit 2019-3-10] Dostupné z: http ://www .zkl.cz/c s/katalo g/loziska 36 Seznam použitých zkratek 3D Three dimensional Lh požadovaná životnost A a roztečná vzdálenost os M rozměr přes válečky ABS Akrylonitrilbutadienstyren irin normálový modul ac výška hlavy zubu nad tětivou irit čelní modul b šířka ozubení n otáčky ca hlavová nEi rezonanční otáčky d průměr roztečné kružnice, D roztečná kružnice Da výška hlavy zubu da průměr hlavové kružnice P Výkon p rozteč zubů PA Polyamid PLA Polylactic acid Db základní kružnice PE Polyethylen Df patní kružnice PP Polypropylen df průměr patní kružnice, PS Polystyren db průměr základní kružnice pt čelní rozteč e zubní mezera, ptb základní rozteč E modul pružnosti Sf součinitel bezpečnosti v ohybu Fa axiální síla Sfsi statická bezpečnost v ohybu Fn normální síla Sh součinitel bezpečnosti v dotyku Fr radiální síla Shsi statická bezpečnost v dotyku Ft obvodová síla sn normálová tloušťka zubu h mezi hlavovou a patní kružnicí je výška st čelní tloušťka zubu zubu, T kroutící moment ha výška hlavy zubu tc tloušťka zubu na tětivě hf výška paty zubu tn normálová rozteč L stoupání šroubovice tt rozteč zubů 37 v obvodová rychlost W rozměr přes zuby z počet zubů zw rozměr přes zuby a = an úhel záběru at čelní úhel profilu oitw čelní provozní úhel záběru aw provozní úhel záběru at čelní úhel záběru P úhel sklonu zubů % pí -3,14159 r| Účinnost u Poissonova konstanta CFiim mez únavy v okybu OHiim mez únavy v dotyku v|/m součinitel poměrné šířky ozubení 38 Seznam tabulek popř. obrázků Tab: 1. Vlastnosti materiálu PLA pro 3D tisk (materiálpro 3D a blog.vyoralek, 2017) Tab: 2. Parametry serva HS-45HB (Servocity, 2019) Obr. 1. Vyznačený pracovní prostor na základně (Vlastní, 2019) Obr. 2. PLA filament (Prusa , 2019) Obr. 3. Nylon PAJet (materiálpro 3D, 2017) Obr. 4. Servo HS-45HB (Servocity, 2019) Obr. 5. Ložisko MR 85 EZO (Prumex, 2019) Obr. 6. Pastorek a ozubené kolo (Eluc, 2018) Obr. 7. Převody s rovnoběžnými osami (Eluc, 2018) Obr. 8. Převody s různoběžnými osami (Eluc, 2018) Obr. 9. Převody s mimoběžnými osami (Eluc, 2018) Obr. 10. Převody s mimoběžnými osami (Mlgeardesigns, 2013) Obr. 11. Rozměry soukolí (Mlgeardesigns, 2013) Obr. 12. Kuličkové ložisko (e-konstrukter, 2015) Obr. 13. Sklon zubu (slideplayer, 2017) Obr. 14. Základna a díry s osovou vzd. 60 mm (Vlastní, 2019) Obr. 15. Návrh čelního ozubení se šikmými zuby (Vlastní, 2019) Obr. 16.1. soukolí (Vlastní, 2019) Obr. 17. Sestava pravotočivých a levotočivých soukolí (Vlastní, 2019) Obr. 18. Rozměry Kola 1 (Vlastní, 2019) Obr. 19. Rozměry Kola 2 (Vlastní, 2019) Obr. 20. Výpočet a posun osových vzdáleností děr a ozubených kol (Vlastní, 2019) Obr. 21. Vložení ozubených kol do základny (Vlastní, 2019) Obr. 22. Vložení ozubených kol do základny i s ložisky (Vlastní, 2019) 39 Obr. 23. Kontrola dodržení pracovního prostoru (Vlastní, 2019) Obr. 24. osazení ramen elektronikou (Vlastní, 2019) Obr. 25. Výpočty pevnostní (Vlastní, 2019) Obr. 26. Animace chodu zubů (Vlastní, 2019) Obr. 26. Síť zubů (Vlastní, 2019) Obr. 26. Sklápění ramen 0-120° (Vlastní, 2019) 40