Proiectarea Unei Masini de Spalat Rufe cu Incarcare Radiala Si Optimizarea Unor Componente

Abstract

This project aims to present a project of an automatic washing machine with top loading.

The machine thus conceived runs after several washing cycles. With higher load capacity than other types of machines can be used both at home and in laundry cleaners or laundry.

The machine has a sturdy construction and has a very easy handling, making it ideal for self-service laundries. Thanks to the automatic laundry washing wear is reduced also greatly improved the quality of washing.

With roller bearings on both ends of the drum, which increases the durability of the bearings and enables load of greater amounts of clothes about 8 kg.

Operating cycle: prewash, wash, rinse, spin, special treatment is controlled by a programmer, which also control the water level in the tank to fill, drain water pump control, operation of electrical resistance water heater.

Development of external forms and aesthetic at the same time made possible by existing technological processes, is an issue of utmost importance in design.

The project consists of the following phases: The determination of the goal, the complete 2D design of the assembly and the computer aided design of the machine. The third phase include an optimization of the bearings and the complete design of the sheet-metal body of the machine.

The main factor in the design or designing external form was the functional role that we have to meet in different assemblies of the washing machine. Using this factor and given the technological possibilities of realization, we determined the material and technological itinerary imagines that it can reach the desired goal.

Cuprins

Introducere

Prezentul proiect are ca obiectiv realizarea unei instalații automate pentru spălat rufe.

Mașina astfel concepută execută spălarea după mai multe cicluri de funcționare. Având capacitate de încărcare mai mare fată de alte tipuri de mașini, poate fi folosită atât la spălatul rufelor casnice cât și la curățătorii sau spălătorii.

Mașina are o construcție robustă și prezintă o mânuire foarte ușoară, fiind ideală în cazul spălătoriilor cu autoservire. Datorită procesului automat de spălare uzura rufelor este redusă, de asemenea fiind mult îmbunătățită calitatea spălării.

Construcția mașinii în variantă cu tambur orizontal și încărcare radială permite Lăgăruirea tamburului pe ambele capete, ceea ce sporește durabilitatea lagărelor și dă posibilitatea încărcării unei mai mari cantități de haine de circa 8 kg.

Întregul ciclu de funcționare: prespălare, spălare, limpezire, stoarcere, tratamente speciale, este controlat de un programator, care realizează și controlul nivelului de apă din cuvă la umplere, comanda pompei de apă la evacuare, funcționarea rezistenței electrice de încălzire a apei.

Elaborarea unor forme exterioare estetice și în același timp posibil de realizat prin procedeele tehnologice existente, constituie o problemă de maximă importanță în activitatea de proiectare.

Factorul principal în conceperea sau proiectarea formei exterioare îl constituie rolul funcțional pe care trebuie să-l îndeplinească în diferite ansambluri sau mașini. Pornind de la acest factor și ținând seama de posibilitățile tehnologice de realizare, proiectantul stabilește materialul piesei și își imaginează întregul itinerar tehnologic prin care se poate ajunge la forma constructivă dorită.

Din punct de vedere estetic forma constructivă trebuie să fie simplă și sobră, să aibă în vedere tendințele moderne din etapa respectivă și pe cât posibil să fie o imagine a complexului de fenomene care au loc. Astfel dacă acționează numai forte mici este indicată o soluție care să facă impresia de construcție ușoară, sau dacă este suplă la o solicitare de încovoiere trebuie să pară că rezistă la această solicitare. Fenomenele exterioare estetice trebuie să fie atrăgătoare și plăcute ochiului.

Stadiul actual În domeniul Mașinilor de spălat rufe

Mașinile de spălat tradiționale cu încărcare de sus au suferit numeroase modificări de-a lungul anilor pentru a ține pasul cu concurența.

În trecut, mașinile de spălat cu încărcare frontală au fost, in general, mai eficiente energetic și mai blânde cu rufele, dar lucrurile s-au schimbat.

Mașinile noi de spălat de încărcare pe sus și-au redus consumul de energie și costurile de operare îmbunătățindu-și în același timp caracteristicile. Pe scurt, se pot obține rufe curate, la un preț mai bun.

Multe modele noi au trecut de asemenea de la agitatorul tradițional la opțiuni, cum ar fi jeturi de înaltă presiune și platouri duble de spălare. Acesta simultan cu crearea de spațiu suplimentar, menajarea hainelor și extragerea-introducerea mai facilă a rufelor din cuvă.

Principalele avantaje ale acestor mașini cu încărcare pe sus sunt:

Gabarit mic;

Echilibrare mai bună ceea ce duce la posibilitatea de a introduce o:

Cantitate mare de rufe la o spălare;

Consum energetic scăzut.

Caracteristici ce trebuie luate în considerare

În acest moment (primăvara 2014) la achiziționarea unei mașini de spălat trebuie luate în considerare următoarele aspecte:

Fiabilitatea

Cel mai important lucru despre o mașină de spălat este cât de bine funcționează. Ne-am dat fiecare mașină în gama noastră de a marca pentru performanta de spălare pentru a vă ajuta să alegeți între unități comparabile. De asemenea, dimensiunea de exterior este un factor important de luat in considerare. În general mașinile mai mari sunt de preferat, deoarece se pot încărca mai multe haine la o sarcină, economisind timp și energie.

performanța

Având o mașină de spălat cu încărcare pe sus cu o multitudine de cicluri de spălare, opțiuni și alte caracteristici într-adevăr ajută mult. Cele mai bune mașini de spălat vor include nu numai ciclurile de spălare de bază, ci și caracteristicile noi pe care le-am aștepta de la o mașină de spălat cum ar fi ceas temporizator sau programe de spălare ce se adaptează automat la cantitatea de rufe introduse.

Eficiența Energetică

Mai mulți consumatori sunt pentru adoptarea unui stil de viață mai verde, iar companiile producătoare conștientizează această schimbare prin oferirea de mașini eficiente energetic. Cele mai bune firme de top oferă nu numai mașini calificate Energy Star, ci și multe caracteristici noi de economisire a energiei cum ar fi un ciclu de spălare eco-friendly.

Ajutor și asistență

O mașină de spălat de înaltă performanță pot fi costisitoare; garanția mașinii este extrem de importantă. Cele mai bune mașini de spălat cu încărcare pe sus încărcare oferă o garanție de lungă durată pentru motor și tambur pe lângă o garanție standard de un 5 ani pentru componente și manoperă. Post garanția este de asemenea importantă

Variante constructive propuse

VARIANTA a

Tamburul mașinii (figura 1.1) este lăgăruit într-o singură parte cu doi rulmenți. Încărcarea rufelor se face frontal, închiderea cuvei și a tamburului realizându-se simultan cu ajutorul unei ușițe – hublou de vizitare.

Antrenarea tamburului se face prin intermediul unei transmisii cu curea, motorul electric fiind fixat pe partea superioară a cuvei. Suspensia cuvei este realizată în partea inferioară, iar balastarea pe partea frontală a cuvei cu o contragreutate din beton (figura 1.1).

Avantaje: – nu necesită contragreutate de echilibrare

– motorul electric este protejat de eventualele scurgeri de apă.

– pompa de apă și filtrul pot fi realizate monobloc fără conductă de legătură între ele

Dezavantaje:

– fiabilitate mai redusă a suspensiei;

– hubloul apare amplasat prea jos și îngreunează introducerea și scoaterea rufelor;

– folosirea unei garnituri speciale la ușița hublou;

durabilitate mai mică a lagărului port tambur.

Fig. 1.1. Varianta a

VARIANTA b

Tamburul este lăcărit în ambele pârți. Încărcarea rufelor se face radial, iar închiderea cuvei se realizează cu o ușiță amplasată pe partea superioară a mașinii.

Suspensia cuvei se face jos cu lamele elastice, iar sus cu arcuri elicoidale de tracțiune.

Tamburul este antrenat de un motor electric amplasat pe partea inferioară a cuvei prin intermediul unei curele de transmisie (figura 1.2).

Avantaje:

Lăgăruirea este mai sigură și mai fiabilă;

nu prezintă pericolul deschiderii accidentale a hubloului în timpul funcționării;

etanșarea cuvei este mai bună.

Dezavantaje:

eventualele scurgeri de apă precum și condensul produs pe cuvă pot ajunge la motorul electric.

montarea tamburului mai complicată;

necesitatea manevrării a două capace pentru a introduce sau extrage rufele.

Fig. 1.2.Varianta b

VARIANTA c

Tamburul mașinii este lăcărit în ambele pârți . Încărcarea rufelor se face radial, închiderea tamburului și a cuvei realizându-se cu un dispozitiv special și cu un capac amplasate pe partea superioară a mașinii.

Antrenarea tamburului se face prin intermediul unui motor electric amplasat pe partea inferioară a cuvei și o transmisie cu curele.

Suspensia cuvei este realizată cu suspensie cu lamelă elastică la partea inferioară, iar la partea superioară cu arcuri elicoidale de tracțiune. Balastarea se pune pe partea laterală a cuvei. Pe panoul frontal sunt amplasate programatorul, sertarul cu detergenți și filtrul de apă.

Avantaje:

-amplasarea organelor de comandă pe panoul frontal prezintă o manevrare ușoară.

echilibrarea mai bună a cuvei;

suspensie mai fiabilă.

lăgăruirii mai sigură și fiabilă

se poate interveni mai ușor pentru întreținere sau remedierea defecțiunilor la transmisie sau motor.

Dezavantaje: –

montarea tamburului mai complicată

necesitatea protejării motorului electric împotriva eventualelor scurgeri de apă din cuvă;

Fig. 1.3.Varianta c

Din considerente tehnico-economico-sentimentale s-a optat pentru varianta c.

Etapele proiectării mașinii de spălat

Realizarea desenului de ansamblu 2D

In faza inițială a proiectării s-a realizat un desen de ansamblu ce înglobează cerințele de construcție a unei mașini de spălat. Mașina a fost reprezentată într-o secțiune transversală ce permite vizualizarea principalelor subansambluri și a modului de asamblare.

În figura 3.1 este prezentată vederea principală, iar în planșa mare A0 este prezentat ansamblul complet cu indicator și tabel de componență.

Spălarea hainelor se realizează prin introducerea lor în interiorul unui tambur ce se rotește într-o cuvă cu apă și detergent. Tamburul este confecționat din oțel inoxidabil are formă cilindrică și este prevăzut cu găuri și contra valuri. Hainele se introduc în interiorul lui printr-o decupare laterală. Partea de spălare propriu-zisă a mașinii este compusă din cuvă și tambur. Cuva este fixă, iar tamburul se rotește în interiorul ei.

Aceasta se închide pe timpul funcționării cu ajutorul unui capac ovoidal ce permite introducerea și răsucirea lui în interiorul tamburului, astfel că în timpul funcționării forța centrifugă nu va acționa asupra închizătorii sale.

Fixarea și antrenarea tamburului se face cu două casete speciale cu rulmenți ce se introduc la fiecare parte a axului său de rotație prin peretele semi cuvei inferioare. Aceasta este închisă de semi cuva superioară prin prinderea lor cu șuruburi.

Ansamblul celor două semicuve este montat în interiorul mașinii pe o suspensie elastică constituită la partea inferioară din două perechi de arcuri lamelare, iar la partea superioară ancorate cu două arcuri elicoidale de tracțiune

Pentru balastare la partea frontală este amplasată o contra greutate, ia pentru echilibrare pe tambur este fixată o a doua contragreutate ce compensează greutatea capacului ovoidal și a mecanismului de închidere

Tamburul este confecționat din oțel inoxidabil, are formă cilindrică, iar virola este prevăzută cu găuri și contravaluri la interior. Ungerea rulmenților se face “pe viață” cu vaselină consistentă RUL 100 Ca3.

Motorul electric de antrenare este prins pe partea inferioară a cuvei, suporții acestuia fiind prevăzuți cu bucșe de cauciuc pentru atenuarea vibrațiilor.

Motorul antrenează axul mașinii prin intermedi unui capac ovoidal ce permite introducerea și răsucirea lui în interiorul tamburului, astfel că în timpul funcționării forța centrifugă nu va acționa asupra închizătorii sale.

Fixarea și antrenarea tamburului se face cu două casete speciale cu rulmenți ce se introduc la fiecare parte a axului său de rotație prin peretele semi cuvei inferioare. Aceasta este închisă de semi cuva superioară prin prinderea lor cu șuruburi.

Ansamblul celor două semicuve este montat în interiorul mașinii pe o suspensie elastică constituită la partea inferioară din două perechi de arcuri lamelare, iar la partea superioară ancorate cu două arcuri elicoidale de tracțiune

Pentru balastare la partea frontală este amplasată o contra greutate, ia pentru echilibrare pe tambur este fixată o a doua contragreutate ce compensează greutatea capacului ovoidal și a mecanismului de închidere

Tamburul este confecționat din oțel inoxidabil, are formă cilindrică, iar virola este prevăzută cu găuri și contravaluri la interior. Ungerea rulmenților se face “pe viață” cu vaselină consistentă RUL 100 Ca3.

Motorul electric de antrenare este prins pe partea inferioară a cuvei, suporții acestuia fiind prevăzuți cu bucșe de cauciuc pentru atenuarea vibrațiilor.

Motorul antrenează axul mașinii prin intermediul unei transmisii cu curea trapezoidală. Întinderea curelei de transmisie se realizează din pivotarea motorului electric pe unul din suporți.

Închiderea cuvei se face cu o ușiță de formă tronconică. Etanșarea în această zonă este asigurată de o garnitură specială. Hubloul este prevăzut cu o balama pivotantă și închizător. Pentru a preveni deschiderea accidentală a hubloului în timpul funcționării închizătorul este prevăzut cu dispozitiv și cheie de blocare. La deschiderea accidentală sau voită în timpul funcționării a hubloului, se întrerupe alimentarea cu curent electric a mașinii orice activitate fiind blocată.

Alimentarea mașinii cu apă se face printr-un racord prevăzut cu filtru împotriva eventualelor impurități din rețeaua de apă. Printr-un sistem de două electroventile conectate în serie alimentarea cu apă poate fi oprită, dirijată direct în cuvă (limpezire), sau dirijată în sertarul cu detergent. Evacuarea apei din cuvă se face cu o pompă centrifugă clasică antrenată de un motor electric de cca. 60W.

Pe circuitul de admisie al acestei pompe este conectat un cartuș filtrant ce poate fi extras prin partea frontală a mașinii și curățat în caz de necesitate. Deoarece circuitul de evacuare nu este prevăzut cu elecroventil se va avea în vedere ca în timpul funcționării capătul furtunului de evacuare să nu se afle sub nivelul apei din cuvă.

Mașina este prevăzută cu rezistență electrică pentru încălzirea apei de spălare, senzori de temperatură și presiune pentru controlul nivelului apei din cuvă.

Întregul proces de funcționare este controlat de un programator care poate realiza mai multe variante ale ciclului de spălare.

În figura 2.1 este prezentată o secțiune transversală ce conține axul tamburului mașinii de spălat. Pot fi remarcate cele 2 casete de lăgăruire ale mașinii. De asemenea contragreutatea de beton ce echilibrează mașina și asigură inerția în timpul funcționării.

Tamburul este echilibrat in partea opusă capacului cu o greutate de echilibrare (poziția 7 în tabelul de componență). Ideea acestei greutății ar fi ca, odată ciclul de spălare terminat, tamburul să se oprească cu capacul de evacuare în sus pentru ușurința descărcării/încărcării rufelor.

S-ar putea ca această soluție să fie greu de implementat, dar merită luată în considerare pentru că facilitatea încărcării/descărcării rufelor este unul din principalele avantaje oferite de mașinile de spălat cu încărcare frontală.

Fig. 2.1. Ansamblul 2D al mașinii de spălat

Alegerea soluției de lăgăruire

Soluția inițială de lăgăruire era construită în jurul unui rulment radial cu bile (6205) introdus într-o casetă detașabilă fixată cu 4 șuruburi cu cap hexagonal M6 de o flanșă sudată pe cuvă. Caseta este izolată de intrarea apei de o manșetă de rotație cu buză de etanșare (semering), iar rulmentul este fixat cu un capac fixat la rândul lui șuruburi. Asigurarea șuruburilor se face cu șaibe elastice Grower.

Roata de curea este antrenată de o pană paralelă de tip A (capete semirotunde) și blocată între un distanțier și o piuliță cu șaibă plată.

Fig. 2.2. Lagăr roată de curea

Proiectarea altor subansambluri poate fi văzută pe desenul de ansamblu (figura 2.1 și Planșa 1)

Modelarea mașinii de spălat cu ajutorul calculatorului

Etapa următoare a proiectării mașinii de spălat a constituit-o realizarea modelului 3D cu ajutorul calculatorului, în cazul de față folosindu-se programul SolidWorks 2014.

Unul din avantajele majore ale acestui tip de proiectare îl constituie faptul că munca manuală este mult simplificată permițând reveniri și modificări multiple asupra modelului în timp scurt.

Fig. 3.1. Modelul 3D al mașinii de spălat

Modelarea 3D a carcasei de tablă

Poate cel mai vizibil avantaj al modelării pe calculator este cazul pieselor de tablă.

Odată modelul 3D al piesei de tablă precis realizat, programul permite obținerea desfășuratei corecte, fapt ce necesită calcule multe și este greu de realizat manual.

Fig. 3.2. Îndoire pe colț realizată automat Fig. 3.3. Corpul de tablă al mașinii

Fig. 3.4. Desfășurata corpului de tablă

Pe desfășurată vor fi automat precizate decupajele precum și liniile de îndoire și sensul în care vor fi făcute (UP sau DOWN)

Raza de îndoire este calculată automat și adăugată la conturul ce urmează a fi decupat.

Realizarea lagărului

Varianta de proiectare pe calculator este modificată în sensul că a fost inlocuit capacul de fixare a rulmentului cu un inel elastic de sprijin (Seger).

Astfel se face economie de metal:300g și de 4 șuruburi cu șaibe elastice. Plus manopera aferentă realizării capacului.

Caseta ste prinsă de cuvă cu ajutorul a 4 șuruburi cu cap cilindric și locaș hexagonal M6.

Protecția la autodeșurubare se realizează cu adeziv special Loctite

Suspensia și amortizarea cuvei

În varianta inițială erau prevăzute doar 2 arcuri, dar s-a considerat că este mai bine dacă sunt prevăzute 4 suporturi compuse din câte o pereche de bride și un arc elicoidal de tracțiune.

Bridele sunt realizate din tabla ambutisată la rece și cadmiate având în vedere mediul umed în care sunt utilizate.

Ele sunt sudate prin puncte de corpul mașinii și de cuvă

Arcul elicoidal va fi realizat din sârmă de oțel de arc Ck 55 – DIN 17221/2-72 (fost STAS 795-80) de diametrul ø = 2mm, După călire arcurile vor fi cadmiate și ele.

Amortizarea vibrațiilor datorate dezechilibrelor ce apar în timpul funcționării se va face printr-o soluție clasică de 2 lamele ancorate de cuvă ce sunt inserate într-o clemă realizată din material antifricțiune prinsă de corpul mașinii.,

Determinarea solicitărilor din axul port fulie folosind metoda elementului finit

Utilizarea metodei elementului finit presupune parcurgerea următoarelor etape:

MODELAREA GEOMETRICĂ

Se analizează desenul corpului ce trebuie calculat. Se stabilesc dimensiunile geometrice, locul și mărimea solicitării, modul de legătură (reazemele) și gradele anulate și sunt puse în evidență, dacă este cazul, planele de simetrie și/sau de solicitare pentru reducerea dimensiunii problemei.

DISCRETIZAREA

Se stabilește tipul de element finit ce va fi utilizat, și se realizează o structură din elemente finite, la care numărul, densitatea și modul de definire al elementelor finite este stabilit de utilizator.

Pot fi utilizate mai mult tipuri de elemente finite pentru o singură structură, pentru a se realiza o cât mai bună aproximare a problemei reale;

PRECIZAREA ÎNCĂRCĂRILOR ȘI A CONDIȚIILOR LA LIMITĂ

Sunt stabilite legăturile prin anulara gradelor de libertate ale nodurilor corespunzătoare acestor reazeme, și sunt introduse reazemele. Și în acest ca, utilizatorul are posibilitatea de a alege din diverse variante posibile, soluții pentru precizarea legăturilor și a încărcărilor.

ALEGEREA MATERIALELOR

Se definesc caracteristicile mecanice ale materialelor utilizate.

LANSAREA ÎN EXECUȚIE

Se lansează programul de calcul în execuție, lansare precedată de o verificare a datelor de intrare (de regulă, verificările sub formă de reprezentare grafică sunt cele mai eficiente).

POSTPROCESAREA DATELOR

Volumul rezultatelor calculate prin metoda elementului finit este foarte mare. Se obțin ca rezultate primare deplasările nodurilor structurii, implicit structura deformată la o anumită scară. Pe baza acestor deplasări, sunt determinați vectorii tensiunilor la nivelul nodurilor structurii sau la nivelul elementelor finite. Rezultatele se pot obține sub formă de liste a valorilor mărimilor ce prezintă interes sub formă grafică – în prezentare cu spectre de culori sau de linii izovalorice. Deformațiile și tensiunile, indiferent de tip, pot fi redate la nivelul întregii structuri sau numai pentru anumite zone sub forma izocriterială. Tensiunea cel mai des utilizată și urmărită este cea combinată între efortul de încovoiere și forfecare de tip Von Mises. Valoarea maximă a ei nu trebuie să depășească limita de curgere (Yield stress) precizată la alegerea materialului. Analiza liniar statică impune asumarea următoarelor presupuneri:

În continuare va fi prezentat o analiză completă a axului port fulie folosind pentru modelarea geometrică programul Solid Works 2014.

Modelarea geometrică

Fig. 4.1. Arborele CSG de modelare al axului

Pentru a scurta timpul de procesare precum o serie de racordări precum și cele două canale de degajare au fost suprimate considerând că prezența lor nu influențează semnificativ rezultatul analizei. În aceste zone și discretizarea se realizează deosebit de dificil necesitând din partea calculatorului efort și mai ales timp suplimentar de procesare.

Arborele CSG (Constructive Solid Geometry) al modelul a fost realizat în principal, prin imprimarea unei mișcări de revoluție unui profil plan (Base-Revolve), extrudarea găurilor de centrare (Cut-Extrude), alegerea unui plan convenabil (Plane1) din care s-a extrudat canalul de pana (CutExtrude) după care acesta a fost multiplicat într-un model circular (CirPattern1) obținând-se celelalte 6 caneluri.

Porțiunea centrală a axului a fost obținută tot printr-o extrudare (Boss-Extrude2) de pe un plan (Plane2).

Au fost aplicate teșirile și racordările cele mai importante (Cahmfer1 și Fillet1). Din considerente de eficiență nu au fost modelate filetul si degajările de rectificare.

Fig. 4.2. Desenul de execuție al axului

Tabelul 5.1. Caracteristicile geometrice și de material

Modelul geometric randat este prezentat în continuare:

Fig. 4.3. Modelul geometric

Discretizarea

Discretizarea constă din aplicarea pe suportul geometric a unei rețele de noduri interconectate. În funcție de numărul de noduri și de structura rețelei formate, aceasta aproximează mai mult sau mai puțin fidel modelul geometric.

Problema discretizării este una de compromis: cu cât sunt mai multe noduri cu atât aproximarea realității este mai bună, dar în același timp crește exponențial timpul de procesare, lucru prohibitiv pentru majoritatea calculatoarelor PC.

În cazul de fată s-a folosit o discretizare automată adaptivă (adaptive mesh) cu optimizarea matricei bandă.

Elementele folosite au fost de tipul solid brick (cărămidă) cu muchii curbe ce a necesitat 3 rafinări pentru a se încadra în limita de 10% eroare impusă inițial.

La aplicarea rețelei au fost verificați și corectații automat următorii parametri definitorii ai structurii:

Tabelul 5.2. Parametri definitorii ai structurii

În urma discretizării s-au obținut 11401 elemente cu 19407 noduri, cu o mărime medie a elementelor de 2,97 mm.

Fig. 4.4. Aplicarea rețelei de discretizare

Precizarea încărcărilor și a condițiilor la limită

Încărcările pentru regimul derapării

Momentul aplicat prin capătul de arbore al axului port fulie este de: 115,8 daNcm.

Fig. 4.5. Sarcina aplicata la capătul axului port fulie

Condițiile la limită

Pentru echilibrarea acestor forțe și momente a fost restricționată rotația axială (axa x) în zona canelurilor fiind permisă doar deplasarea axială, iar pe umărul de sprijin a rulmentului a fost restricționată deplasarea axială permițându-se doar rotația în jurul axei X .

În analiza cu elemente finite [16], elementelor solide din rețele tridimensionale (tetraedrale) nu le este permisă rotația independentă drept pentru care gradele de libertate rotaționale sunt inhibate din start, fiind permise doar cele de translație. Acestea sunt disponibile doar în cazul elementelor de suprafață.

Pentru reuși totuși restricționarea rotației la caneluri s-a folosit un sistem de coordonate cilindric (r, theta, z) fiind blocată coordonata theta

Fig. 4.6.Restricțiile impuse pe flancurile canelurilor

Alegerea materialelor

Materialul ales este un oțel aliat de tip OLC 45 cu următoarele caracteristici mecanice.

Tabelul 5.3. Caracteristici mecanice

Lansarea în execuție

S-au impus calcularea următorilor parametri:

Deformații

Tensiuni

Eforturi

Forțele de reacție

De asemenea s-a ales calculul folosind factorul h de adaptivitate care rafinează rețeaua în funcție de valorile de eroare din noduri. Acesta este un proces iterativ care se oprește la atingerea numărului maxim de iterații prescris sau dacă nivelul maxim de eroare calculat nu depășește nivelul prescris.

Postprocesarea datelor

Această etapă presupune efectuarea automată a unor verificări după cum urmează:

Erorile de discretizare

De regulă se consideră un rezultat mulțumitor dacă erorile de discretizare nu depășesc 10%. Dacă acest prag este depășit pot apărea erori substanțiale la calculul tensiunilor și a deplasărilor deci se recomandă executarea unui proces de rafinare care va reduce eroarea de discretizare după care se va iniția automat un nou calcul de analiză.

Încadrarea tensiunilor în limita de curgere

Dacă eroarea de discretizare se încadrează în cea admisă se poate trece la verificarea încadrării în tensiunilor în limita de curgere analiză evidențiată printr-o scală ce prezintă un raport procentual fată de limita de curgere a materialului ales.

Orice depășire, cât de mică, a acesteia, invalidează rezultatele finale analiza ieșind din cadrul prezumtiv de liniar elasticitate.

În acest caz se recomandă adoptarea uneia din următoarele soluții:

Schimbarea materialului ales pentru piesă

Verificarea valorii încărcărilor și/sau a condițiilor la limită

Modificarea geometriei modelului

Apelarea la un program de analiză neliniară cum ar fi MSC/Patran

Evaluarea tensiunilor, deformațiilor, eforturilor

Tabelul 5.4 Valorile tensiunilor maxime si minime localizate pe piesa

Fig. 4.7.Tensiunile Von Mises pe axul inițial

În figura 5.7 se poate observa că tensiunea combinată maximă Von Mises (teoria a IV-a de rupere) nu depășește limita de curgere, ci este chiar aproape de jumătate din ea

σVon Mises.max = 489,767 N/mm2

Pe de altă parte se poate remarca distribuția factorului de siguranță Von Mises care depășește în 90% din piesă valoarea de 17 fată de 1 cât era impus la lansarea analizei.

Chiar în zonele cele mai solicitate factorul de siguranță ia valoarea de:

FSmax = 320,59

FSmin = 1,49

Deplasările din model sunt extrem de mici fiind repartizate pe circumferința cupei.

Se remarcă o deplasare de ordinul a 0,03mm în zona capătului filetat al axului.

Optimizarea axului port fulie de la mașina de spălat

Având în vedere rezultatele simulării cu ajutorul analizei cu elemente finite care arată menținerea în limite liniar elastice a piesei chiar și în condiții de solicitare maximă s-a încercat o soluție de optimizare a ei prin practicarea unei găuri străpunse de Ø6 mm străpunse prin tija centrală.

Fig. 4.8. Solicitarile Von Mises pe axul optimizat

Tabelul 5.5- Comparație intre axul inițial și cel optimizat

Efectele introducerii acestei găuri sunt următoarele:

micșorarea greutății axului cu 30,648 grame pe piesă rezultând economii de material;

un echilibru termic mai bun a axului;

tehnologia de prelucrare mai bună și mai ieftină reducându-se cele două găuri de centrare ce necesită două prinderi.

Fig. 4.9. Factorul de siguranță FOS, evidențiat pe axul optimizat

Distorsiunile-< 0,1 %

Deformarea-< 0,2 %

Unghiurile interioare-< 90 0

Migrarea nodului de mijloc-< 50 %

În urma discretizării s-au obținut (fig.6.4) 17598 elemente cu 29289 noduri, cu o mărime medie a elementelor de 1,49 mm, deci discretizarea a fost mai fină decât în cazul piesei reale.

Chiar dacă valoarea maximă a deplasărilor este mai mare decât la modelul clasic ea se încadrează într-o limită rezonabilă ce nu afectează buna funcționare a reperului.

De asemenea factorul de siguranță reprezentat în figura 6.9 de 1e+107 este mult acoperitor in condițiile folosirii normale a mașinii de spălat.

CONCLUZII

Axul port-fulie optimizat prin practicarea unei găuri în tija centrală de Ø8 mm și prin consolidarea zonei de racordare dintre tija centrală și cupă are un comportament superior fată de soluția clasică determinând în același timp economii de material și de tehnologie.

Comparând tensiunile obținute prin metoda elementului finit, prezentate mai înainte, cu valorile tensiunilor care rezultă prin calculul analitic, avem o diferență de 7%. Această diferență între cele două metode de calcul, metoda elementului finit și metoda analitică este acceptabilă și se consideră că metoda elementului finit poate fi validată.

Aplicarea metodei elementului finit la calculul solicitărilor din ax oferă o imagine completă a tensiunilor și deformațiilor pe întreaga suprafață a piesei.

În urma analizei solicitărilor ce apar în piesă, în grupul de programe Solid Works-Cosmos Works, ne putem da seama de mărimile forțelor ce apar în ax. Tensiunile sunt exprimate N/m2.

Astfel, în figura 6.4, observăm discretizarea piesei. Discretizarea s-a făcut în tetraedre (elemente) care au latura de 3 mm. În acest caz, avem 50952 elemente și 78843 noduri. Observăm că discretizarea este mai fină în zona îmbinărilor dintre diferite suprafețe, acest fapt ducându-ne la rezultate cât mai apropiate de realitate. De asemenea, corpul analizat are 236535 grade de libertate, ceea ce înseamnă ca programul de element finit Cosmos Works a folosit tot atâtea ecuații în obținerea rezultatelor.

În figura 5.8 sunt prezentate rezultatele obținute în urma rulării programului pe axul optimizat, și anume tensiunile ce apar în piesa solicitată. Tensiunile sunt exprimate în N/mm2. Observăm astfel, că solicitarea maximă este de 571,778 N/m2, ceea ce înseamnă 571,78 x 10-3 MPa valoare care este mult mai mică decât sadm al materialului OLC45, material din care este realizată axul: sadm=820 MPa. Deci materialul din care este confecționată axul rezistă solicitărilor la care este supusă în timpul funcționării.

Aplicarea metodei elementului finit la calculul solicitărilor din ax oferă o imagine completă a tensiunilor și deformațiilor pe întreaga suprafață a piesei.

Cercetări numerice si experimentale

Putere motor:

P = 0,6 kW – 3000 rot/min – la stoarcere

P = 0,325 kW – 600 rot/min – la spălare.

Calculul transmisiei cu curele

Puterea de calcul la arborele conducător:

– Randamentul transmisiei: η = 0.95

Rezultă: Pc = 0,6 / 0,95 = 0,631 kW

– Turația la intrare:

n1 = 3000 rot/min

– Turația la ieșire:

n2 = 470 rot/min

– Raportul de transmitere:

– Profilul curelei:

se alege preliminar din nomogramă cf. STAS 1163-67

rezultă profil Z Dp1 ≤ 100

– Diametrul primitiv al roții mici:

Dp1 = 50 mm (constructiv)

– Diametrul primitiv al roții mici:

Dp2 = i .Dp1 = 319 mm

– Diametrul primitiv mediu al roților de curea:

– Distanta dintre axe: A (preliminar)

se alege:

A = 450 mm

– Unghiul dintre ramurile curelei:

– Unghiul de înfășurare la roata mică de curea:

β1 = 145,220

– Unghiul de înfășurare la roata mare de curea:

β1 =214,780

– Lungimea primitivă a curelei:

Deoarece: β1> 1100,

Lp = 1519,8 mm

Din STAS 1164-84 se alege Lp = 1500 mm

Se recalculează distanta axială:

A = 439,6 mm

– Viteza periferică a curelei:

unde: vmax = 45 m/s

v = 7,85m/s

– Coeficientul de funcționare Cf:

Cf = 1,1 cf. STAS 1163-71 tab.3

– Coeficientul de lungime CL:

CL = 1,17 cf. STAS 1163-71 tab.4

– Coeficientul de înfășurare:

Cβ = 0,9 cf. STAS 1163-71 tab.5

– Puterea nominală transmisă de curea:

P0 = 0,71kW cf. STAS 1163-71 tab.6

– Numărul preliminar de curele:

z0 = 0.938

– Numărul definitiv de curele:

z = 1

– Frecvența încovoierilor curelei

unde:

fmax = 30 Hz

x = nr de roți ale transmisiei; x = 2

f = 10,46 < fmax

– Forța periferică transmisă:

F = 8,04 daN

– Forța pe arbore, necesară întinderii curelei la montare:

Sa = (1,5…2)F

Sa = 12,06…16,08 daN

– Limitele de reglaj ale distanței dintre axe:

+4% Lp –> + 60 mm

-2% Lp –> – 30 mm

Calculul axului port fulie la solicitări compuse

– Momentul de torsiune la intrare

unde P1 – Puterea la intrare; kW.

n1 – turația la intrare; rot/min

Momentul de torsiune la ieșire:

Mt2 = Mt . η . I12

Mt2 = 1,91. 0,95 . 6,383 = 11,58 Nm = 11580 daN.mm

– Momentul încovoietor Mi

Momentul încovoietor maxim se consideră a fi la stoarcere. Se apreciază masa maximă a rufelor ude la cca. 10kg, forța centrifugă determinată de această masă fiind aplicată la jumătatea lățimii

L = 130 mm a tamburului.

Fcf = m . an

an = accelerația centripetă:

Unde: ω = viteza unghiulară =

n = turația, , n = 470 rot/min

R = raza tamburului = 230 mm

Mi = 557,16 . 65 = 36.254,4 daN.mm

Secțiunea periculoasă la această solicitare este cea rezultată în urma degajării pe arbore ce permite rectificarea suprafeței de contact pentru manșeta de etanșare a casetei rulmentului.

În această zonă

d = 28 mm.

Momentul redus

α = coeficientul momentului de torsiune

Pentru OLC 45

α = 0,66

Mred = 37417,36 daN . mm

d = 16,42 mm

– deoarece diametrul ales constructiv este de d = 28mm, rezultă că axul rezistă la această solicitare.

Calculul de verificare al penei

Pana paralelă de pe axul de antrenare al tamburului are lungimea de contact

lc = 17 mm,

înălțimea:

h = 6 mm,

iar diametrul capătului de arbore

d = 24 mm

– Momentul de torsiune:

Mt2 = 115,8 daN.cm

unde:

Mt = 13,18 daN.cm;

d = 8 mm = 0,8 cm;

h = 4 mm = 0,4 cm;

σas = 1500 daN/cm2

iar deoarece lungimea efectivă este de l = 8 mm, rezultă că pana rezistă.

Calculul asamblării canelate

Asamblările canelate comparativ cu asamblările prin pene au avantajele următoare:

capacitate de încărcare mai mare la aceleași dimensiuni de gabarit,

rezistență la oboseală mai mare,

centrare și ghidare precisă a pieselor asamblate,

tehnologicitate și precizie mai bune.

În cazul mașinii de spălat au fost folosite caneluri dreptunghiulare.

Relațiile și metoda de calcul

Diametrul arborelui

În funcție de diametrul d al arborelui rotunjit la o valoare standardizată din STAS-1768-68, 1769-68, 1770-68 și 2670-78 se aleg parametrii asamblării.

Suprafața portantă necesară S’

unde

rm=(D+d)/4 rm=26 mm

Suprafața portantă reală raportată la unitatea de lungime, s’

s’=0.75 [(D-d) /2 – 2g]

unde h1=(D-d)/2-2g; g ≡r

r = (0,1…0,15)h; h = (D-d)/d

Lungimea necesară a butucului L:

Momentul de torsiune capabil

Efortul unitar de încovoiere în ipoteza că forța este aplicată la mijlocul înălțimii canelurii:

sau

unde și

Lungimea necesară a butucului:

Calculul rulmentului radial cu bile [Chi 81]

Rulmentul radial cu bile fixat în capacul-lagăr, este încărcat cu reacțiunea Fr = 600N, calculată pe baza momentului nominal transmis. Turația maximă este de n =1200 rot/min. Durabilitatea impusă Lh = 20.000 ore. Temperatura de funcționare t = 700C.

Factorul forței suplimentare care depinde de precizia danturii (considerând cuplul motor transmis printr-un angrenaj)

Fk = 1,3

Factorul forței suplimentare care depinde de felul și modul de lucru al utilajului.

fd = 1,1

Sarcina echivalentă

P= Fr fk fd

P = 600 . 1,3 . 1,1 = 858 N

Durabilitatea

Raportul C/P

Capacitatea dinamică

C = 11,28 P

Rulmentul ales este cu simbolul 6205-ZZ, cf. DIN 625 cu următoarele dimensiuni de gabarit:

d = 25 mm

D = 52 mm

H = 15 mm

MĂSURI DE PROTECȚIA MUNCII

– Mașina va fi alimentată cu energie electrică de la o priză cu pământare

– Nu se admite nici o intervenție în interiorul mașinii atâta timp cât mașina este sub tensiune.

– Este interzisă introducerea în sertarul pentru detergenți sau direct în tambur a substanțelor chimice, inflamabile (benzină, tetraclorură de carbon).

De asemenea rufele care au fost în prealabil curățate cu astfel de substanțe se vor spăla în mașină numai după un timp de 24 de ore.

– Pentru a preveni deplasarea mașinii în timpul funcționării (datorită vibrațiilor) se recomandă așezarea ei pe un covoraș de cauciuc.

– Pentru a nu permite pornirea mașinii cu capacul cuvei deschis, închizătorul acesteia va fi prevăzut cu un micro întrerupător ce va bloca alimentarea cu curent electric a mașinii.

– În cazul observării unor vibrații deosebit de puternice (mai ales la stoarcere) se va opri de urgenta mașina și se va apela la un specialist.

Concluzii și contribuții personale

Prezentul proiect are ca obiectiv realizarea unei mașini automate pentru spălat rufe.

Mașina astfel concepută este cu încărcare pe sus (radială) având capacitate de încărcare mai mare fată de alte tipuri de mașini, având un gabarit mai mic și o mare stabilitate

Mașina are o construcție robustă și prezintă o mânuire foarte ușoară, fiind ideală în cazul spălătoriilor cu autoservire.

Proiectul mașinii a parcurs 4 etape principale ca si contribuții personale:

prima a constituit-o determinarea necesităților și a condițiilor necesare de realizare, precum și definirea diferențelor specifice.

a doua parte este materializată printr-un ansamblu 2D al mașinii propuse cu structurarea pe subansambluri

a treia parte a fost modelarea pe calculator a principalelor elemente mecanice ale mașinii folosind programul SolidWorks

a patra parte o constituie verificarea și dimensionarea celor mai solicitate piese folosindu-se atât soluția clasică prin aparatul matematic cât și oportunitățile oferite de programele de analiză și simulare prin metoda elementului finit.

BIBLIOGRAFIE

[Alb 83] Albu, A. ș.a. Exploatarea mașinilor-unelte, București, E.D.P, 1983.

[Alb 86] Albu, A. ș.a. Proiectarea mașinilor-unelte, Îndrumar, Cluj-Napoca, Lito IPC-N, 1986.

[Chi 81] Chișiu, Al. ș.a. Organe de Mașini, EDP, București, 1981

[Dea 92] Deacu, L. ș.a., Bazele Așchierii și Generării Suprafețelor, Lito UTC-N, Cluj-Napoca,1992

[Dia 60] Diaconescu, I. ș. a. Mașini-unelte, vol. V, București, E. M. T. 1960

[Ics 84] ICSIT Titan, Mașini-unelte prezent și viitor, uzina anului 2000. Studii de marketing, 1984.

[Mor 86] Moraru, V. Teoria și proiectarea mașinilor-unelte, București Teora. 2011.

[Pas 85] Pascariu, I., Elemente finite. Concepte-aplicații, Ed. Militară, București 2010

[Pic 92] Picoș, C. ș.a. Proiectarea tehnologiilor de prelucrare mecanică prin așchiere, Manual de proiectare volumul 2, Chișinău, Editura Universitas, 1992

[Vla 85] Vlase, A., ș.a., Regimuri de așchiere adaosuri de prelucrare, și norme tehnice de timp, Ed. Tehnică, București, 1985, vol. 2

[*** 06] ****, Legea securității și sănătății în muncă, nr 319/14.07.2006

OPIS

Număr pagini 43

Număr tabele 9

Număr figuri în text 32

Număr de planșe 2 A0

BIBLIOGRAFIE

[Alb 83] Albu, A. ș.a. Exploatarea mașinilor-unelte, București, E.D.P, 1983.

[Alb 86] Albu, A. ș.a. Proiectarea mașinilor-unelte, Îndrumar, Cluj-Napoca, Lito IPC-N, 1986.

[Chi 81] Chișiu, Al. ș.a. Organe de Mașini, EDP, București, 1981

[Dea 92] Deacu, L. ș.a., Bazele Așchierii și Generării Suprafețelor, Lito UTC-N, Cluj-Napoca,1992

[Dia 60] Diaconescu, I. ș. a. Mașini-unelte, vol. V, București, E. M. T. 1960

[Ics 84] ICSIT Titan, Mașini-unelte prezent și viitor, uzina anului 2000. Studii de marketing, 1984.

[Mor 86] Moraru, V. Teoria și proiectarea mașinilor-unelte, București Teora. 2011.

[Pas 85] Pascariu, I., Elemente finite. Concepte-aplicații, Ed. Militară, București 2010

[Pic 92] Picoș, C. ș.a. Proiectarea tehnologiilor de prelucrare mecanică prin așchiere, Manual de proiectare volumul 2, Chișinău, Editura Universitas, 1992

[Vla 85] Vlase, A., ș.a., Regimuri de așchiere adaosuri de prelucrare, și norme tehnice de timp, Ed. Tehnică, București, 1985, vol. 2

[*** 06] ****, Legea securității și sănătății în muncă, nr 319/14.07.2006