Razvoj preizkuševališča senzorjev vrtilnega momenta za električna kolesa

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj preizkuševališča senzorjev vrtilnega momenta za električna kolesa

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Urban Bric

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj preizkuševališča senzorjev vrtilnega momenta za električna kolesa

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Urban Bric

Mentor: izr. prof. dr. Domen Šeruga, univ. dipl. inž.

Somentor: izr. prof. dr. Jože Kutin, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Najprej bi se rad zahvalil mentorju dr. Domnu Šerugi in somentorju dr. Jožetu Kutinu za nasvete in podporo pri izdelavi dela.

Rad bi se zahvalil tudi podjetju Hidria d.o.o., ki me je v času študija finančno podpiralo s kadrovsko štipendijo in omogočilo opravljanje magistrske naloge za izbrano temo. Pri tem gre posebna zahvala sodelavcem za njihovo pomoč in nasvete med nastajanjem tega dela.

Nazadnje bi se zahvalil še družini, prijateljem in kolegom, za vso podporo v času študija.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 531.232:629.322(043.2) Tek. štev.: MAG II/988

Razvoj preizkuševališča senzorjev vrtilnega momenta za električna kolesa

Urban Bric

Ključne besede: preizkuševališča električna kolesa

senzorji vrtilnega momenta merjenje navora

razvoj izdelkov

V magistrski nalogi je predstavljeno konstruiranje preizkuševališča senzorjev vrtilnega momenta za električna kolesa. V fazi razvoja omenjenega senzorja, se pojavi potreba po ponovljivem in zanesljivem preskušanju prototipov. Najprej smo izdelali podrobne zahteve za preizkuševališče, pri tem smo upoštevali znane omejitve in zahteve, ki jih mora izpolnjevati senzor. Izdelali smo več konceptov preizkuševališča ter s pomočjo tehničnega in ekonomskega vrednotenja izbrali najprimernejšega. Izdelali smo podroben model preizkuševališča in izbrali primerne standardne komponente. Preizkuševališče bo omogočalo dinamično preskušanje senzorja pri različnih hitrostnih, obremenitvenih in temperaturnih pogojih. Na koncu smo na začasnem preizkuševališču preizkusili prve prototipe senzorja, prvi rezultati kažejo dobro dinamično odzivnost senzorja in njegovo neobčutljivost na temperaturo.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 531.232:629.322(043.2) No.: MAG II/988

Development of a test rig for torque sensors of electric bicycles

Urban Bric

Key words: test rig

electric bicycle torque sensor torque measurement product development

The master's thesis presents the construction of a test rig for torque sensors of electric bicycles. There is a need for repeatable and reliable prototype testing in the development phase of this sensor. In the thesis, we first developed detailed requirements for the test rig, taking into account the known limitations and requirements, that the sensor must meet. We developed several test rig concepts and after technical and economical evaluation, we selected the most suitable concept. We made a detailed model of the test rig and selected appropriate standard components. The test rig will thus enable dynamic testing of the sensor at different speed, load and temperature conditions. Finally, we tested the first prototypes of the sensor at a temporary test rig. The first results show good dynamic response of the sensor and its insensitivity to temperature.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

1.3 Zahteve ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Električna kolesa in umestitev senzorja vrtilnega momenta v pogon... 3

2.2 Senzorji vrtilnega momenta ... 4

2.2.1 Primeri uporabe ... 4

2.2.2 Fizikalni principi merjenja momenta ... 4

2.2.3 Merjenje deformacije gredi preko uporovnih merilnih lističev ... 5

2.2.4 Merjenje zasuka deformacijskega elementa ... 8

2.2.4.1 Neposredno merjenje zasuka ... 9

2.2.4.2 Merjenje preko inducirane napetosti ... 10

2.2.4.3 Senzor na principu magnetostrikcije ... 10

2.2.5 Merjenje vrtilnega momenta preko reakcijske sile ... 11

2.2.6 Določanje vrtilnega momenta z merjenjem toka na elektromotorju... 13

2.3 Vpliv temperature na meritev vrtilnega momenta ... 13

2.4 Izbrani koncept senzorja ... 13

2.4.1 Hallov pojav ... 14

2.4.2 Delovanje senzorja ... 15

3 Metodologija raziskave ... 19

3.1 Prvi prototipi senzorja vrtilnega momenta za električna kolesa ... 19

3.2 Zahteve za preizkuševališče ... 21

3.3 Opredelitev tehničnega procesa preizkuševališča ... 21

3.4 Morfološka matrika in različni koncepti rešitve ... 22

3.4.1 Koncept K1 ... 24

(18)

xiv

3.4.2 Koncept K2 ... 25

3.4.3 Koncept K3 ... 26

3.4.4 Koncept K4 ... 27

3.4.5 Koncept K5 ... 28

3.5 Vrednotenje različnih konceptov ... 29

3.6 Izbira komponent in potrditev izbranega koncepta preizkuševališča... 31

3.6.1 Izbira referenčnega senzorja ... 32

3.6.2 Izbira povezovalnih in varnostnih elementov ... 33

3.6.3 Zagotavljanje aksialnega pomika gredi za menjavo preizkušanca ... 34

3.6.4 Pozicioniranje elektronike senzorja ... 34

3.6.5 Izbira pogona ... 35

3.6.5.1 Kontrola ločljivosti motorja ... 36

4 Rezultati ... 41

4.1 Določanje karakteristike in preskušanje prototipa z obremenitvijo ... 43

4.2 Preskušanje prototipa pri povišani temperaturi ... 47

5 Diskusija ... 53

6 Zaključki ... 57

Literatura ... 58

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: Možna mesta za namestitev pogona električnega kolesa [1] ... 3

Slika 2.2: Shema merjenja momenta z merilnimi lističi ... 5

Slika 2.3: Izvedba uporovnega merilnega lističa [4] ... 6

Slika 2.4: Wheatstonov mostič in možne postavitve lističev na torzijski element [3] ... 7

Slika 2.5: Torzijski element z večjo togostjo za merjenje momenta z merilnimi lističi [3] ... 8

Slika 2.6: Kot zasuka gredi pri torzijski deformaciji [2] ... 8

Slika 2.7: Merjenje zasuka preko faznega zamika [3] ... 9

Slika 2.8: Merjenje momenta z induciranjem napetosti [3] ... 10

Slika 2.9: Merjenje momenta s pomočjo magnetostrikcije [3]... 11

Slika 2.10: Shema merjenja reakcijske sile [3] ... 12

Slika 2.11: Merjenje reakcijske sile v praksi [5] ... 12

Slika 2.12: Shematski prikaz delovanja Hallove sonde [6] ... 14

Slika 2.13: Osnovna sestava izbranega senzorja momenta [7]... 15

Slika 2.14: Relativni zasuki rotorja proti statorju ... 16

Slika 2.15: Spreminjanje izhodnega signala z zasukom rotorja proti statorju ... 17

Slika 3.1: Sestav prototipa senzorja [8] ... 19

Slika 3.2: Osnovne komponente senzorja [8] ... 20

Slika 3.3: Umestitev senzorja na pogonsko gred [8] ... 20

Slika 3.4: Seznam simbolov za različne rešitve ... 24

Slika 3.5: Koncept K1 ... 25

Slika 3.10: Razmerje tehnične in ekonomske vrednosti za različne koncepte ... 31

Slika 3.11: Izbrani referenčni senzor momenta [10] ... 32

Slika 3.12: Izbrana izravnalna sklopka [11] ... 33

Slika 3.13: Izbrana varnostna sklopka [12] ... 33

Slika 3.14: Princip delovanja izbrane hidravlične puše [13] ... 34

Slika 3.15: Mizica za pravilno pozicioniranje elektronike senzorja... 35

Slika 3.16: Robni pogoji simulacije ... 38

Slika 3.17: simulacija torzijske togosti povezovalnih gredi ... 38

Slika 4.1: končni model preizkuševališča ... 41

Slika 4.2: Prerez končnega modela ... 42

Slika 4.3: Menjava preizkušanca ... 43

Slika 4.4: Postavitev improviziranega preizkuševališča ... 44

Slika 4.5: Odziv senzorja pri statičnem obremenjevanju ... 44

Slika 4.6: Dinamični odziv senzorja brez obremenitve ... 45

(20)

xvi

Slika 4.7: Dinamični odziv senzorja med naključno obremenitvijo ... 46

Slika 4.8: Shema naprave za preskušanje senzorja v temperaturni komori ... 47

Slika 4.9: Sestavljeno preizkuševališče z vpetim senzorjem in držalom za elektronski del (levo) in preizkuševališče v temperaturni komori (desno) ... 48

Slika 4.10: Simulirana nizka obremenitev, sobna in povišana temperatura [8] ... 49

Slika 4.11: Simulirana srednja obremenitev, sobna in povišana temperatura [8] ... 50

Slika 4.12: Simulirana visoka obremenitev, sobna in povišana temperatura [8] ... 51

Slika 5.1: Model koncepta K2 ... 53

Slika 5.2: Prerez modela koncepta K2 ... 54

Slika 5.3: Preizkuševališče z majhno izolirano komoro ... 55

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 3.1: Morfološka matrika ... 23 Preglednica 3.2: Tehnično vrednotenje rešitev ... 30 Preglednica 3.3: Ekonomsko vrednotenje rešitev ... 30

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

B T magnetno polje

F N sila

G MPa strižni modul

J mm⁴ vztrajnostni moment prereza

P W moč

T Nm vrtilni moment

i / prestavno razmerje

n / števec

o min^-1 vrtljaji

r mm radij

s °/Nm občutljivost

v V električna napetost

x / razmerje

ε / relativna deformacija

θ ° kot zasuka

𝜈 m/s hitrost

τ MPa strižna napetost

φ s fazni zamik

ω s^-1 kotna hitrost

Indeksi

cel celoten

el element

gred gred

H Hall

izm izmerjen

izr izravnalna sklopka

list merilni listič

m motor

max maksimalen

pogr pogrešek

R reakcijski

ref referenčni

var varnostna sklopka

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

LVDT MO

»Linear Variable Differential Transformer« (tip linearnega zaznavala pomika)

Merilno območje

(26)

xxii

(27)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V zadnjem času opažamo skokovit porast električnih pogonov v najrazličnejših prevoznih sredstvih. S težnjo po zmanjševanju izpustov je na cestah vse več avtomobilov z električnim ali hibridnim pogonom. Nezanemarljiv delež pa predstavljajo tudi manjša elektrificirana prevozna sredstva, od električnih skirojev, skuterjev, rolk … Vse bolj priljubljena postajajo električna kolesa s pomožnim pogonom, ki omogočajo zahtevnejše vzpone tudi fizično slabše pripravljenim. Takšno kolo je še vedno potrebno ves čas poganjati, elektromotor pa nam pomaga in zagotavlja konstantno potrebno silo na pedalih, ne glede na zahtevnost terena. Za delovanje je zelo pomembno elektronsko krmiljenje s povratno zanko, ki vklaplja elektromotor glede na napore kolesarja. Ena ključnih komponent je senzor vrtilnega momenta, preko katerega ves čas spremljamo napor kolesarja in krmilimo pomožni motor.

Pri tem glavni problem predstavlja merjenje momenta na vrteči gredi.

Podjetje, s katerim smo sodelovali, ima veliko izkušenj s področja avtomobilske industrije, v zadnjem času pa išče možnosti sodelovanja tudi drugje, predvsem na področju senzorike.

Podjetje je tako začelo z razvojem brezkontaktnega senzorja za merjenje momenta na vrteči gredi. Senzor je namenjen gorskim električnim kolesom višjega cenovnega razreda. Med razvojem je potrebno premostiti kar nekaj izzivov, predvsem zaradi zahtevane velike točnosti merjenja vrtilnega momenta in potrebne kompaktnosti senzorja, saj je vgradnja predvidena znotraj pogonskega sklopa, na majhnem prostoru med pedali kolesa. Izbrani koncept deluje preko zaznavanja spreminjajočega magnetnega polja, to se spreminja zaradi spremembe relativnega položaja magnetov in lamel iz magnetnega materiala, ob deformaciji torzijsko obremenjene gredi. Način delovanja senzorja bo podrobneje predstavljen v nadaljevanju.

Razvoj je trenutno v fazi izdelave prvih prototipov, pri tem pa se pojavi potreba po ponovljivem in zanesljivem preskušanju teh prototipov. Potrebno je preskusiti natančnost in točnost senzorja, določiti področje delovanja, da bo odziv čimbolj linearen, preskusiti odziv pri maksimalni obremenitvi in preveriti lezenje in histerezo. Potrebno je tudi simuliranje realnih pogojev uporabe, torej dinamično spreminjanje momenta, dolgotrajnejše obremenitve pri konstantnem momentu, preveriti pa je potrebno tudi vpliv spremembe temperature na točnost meritve.

(28)

Uvod

2

1.2 Cilji

Namen magistrske naloge je načrtovati in izdelati čimbolj vsestransko preizkuševališče za prototipe senzorjev vrtilnega momenta. V poglavju Rezultati so predstavljene meritve na improviziranem preizkuševališču, iz njih smo določili osnovne zakonitosti obnašanja preizkušanca. Z nekaj znanimi rezultati bomo lažje pozorni na pomembne detajle pri načrtovanju preizkuševališča, kot je zagotavljanje primerno majhne ekscentričnosti, pravilno pozicioniranje elektronike senzorja itd. V nadaljevanju bomo poiskali različne koncepte in komponente preizkuševališča in izbrali najprimernejšo rešitev.

1.3 Zahteve

Trenutno poteka razvoj nekaj različnih senzorjev, prilagojenih zahtevam različnih kupcev, glavna razlika med njimi je predvsem v načinu povezovanja z ostalimi elementi pogonskega sklopa. Tako je na preizkuševališču potrebno zagotoviti možnost vpenjanja preko različnih grednih vezi ter enostavno vpenjanje in izpenjanje različnih preizkušancev.

Glavni namen preizkuševališča so meritve vrtilnega momenta, zato bomo morali izbrati primeren referenčni senzor in ga umestiti v zasnovo. Zahtevani merjeni momenti so v razponu nekaj Nm do 200 Nm. Preizkuševališče ni predvideno za preskuse preobremenitve, zato se z višjimi momenti ne bomo ukvarjali. Potrebno pa bo dodati varnostni element, ki bo referenčni senzor varoval pred preobremenitvijo.

Pomemben vidik je možnost preskušanja vpliva temperature na odziv senzorja, tako bo potrebno zagotoviti možnost preskušanja pri temperaturi od -10 ^ºC do 60 ^ºC.

Izbrati bomo morali primeren način zagotavljanja razmeroma visokega momenta pri relativno nizkih vrtljajih (do nekaj 100 vrtljajev na minuto). Potrebna bo natančna kontrola in krmiljenje, za zagotavljanje konstantnega momenta ali preskušanje pri različnih obremenitvenih profilih.

Preizkuševališče mora imeti tudi možnost natančnega pozicioniranja brezkontaktnega dela senzorja.

(29)

3

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Električna kolesa in umestitev senzorja vrtilnega momenta v pogon

Poznamo različne tipe električnih koles, razlikujejo se predvsem z vidika umestitve elektromotorja na kolo, in po načinu delovanja. Na sliki 2.1 lahko vidimo različna mesta za umestitev elektromotorja na kolo, nekateri tipi električnih koles omogočajo poganjanje kolesa izključno z elektromotorjem, motor pa imajo pogosto umeščen kar na osi sprednjega ali zadnjega kolesa.

Slika 2.1: Možna mesta za namestitev pogona električnega kolesa [1]

Bolj kompleksne izvedbe koles imajo motor umeščen na ogrodju tik pred pedali, moč motorja pa se tako prenaša prek verige in menjalnika na zadnje kolo. Takšne izvedbe koles pogosto ne omogočajo vožnje zgolj z elektromotorjem, ampak le pomagajo kolesarju pri poganjanju. S tem ne zagotavljajo le telesne aktivnosti kolesarja, ampak tudi občutno povečajo doseg. Cenejše izvedbe namesto senzorjev vrtilnega momenta uporabljajo kar kontrolo s pomočjo zaznavanja vrtljajev pedalov, vendar tako ne dobimo optimalne razporeditve moči. Problem predstavlja tudi začetek poganjanja, saj takrat potrebujemo velik moment, nimamo pa vrtljajev na pedalih in ne dobimo pomoči elektromotorja. Najbolj optimalna, vendar tudi najdražja izvedba, ves čas meri moment, ki ga ustvarjamo na pedalih in zagotavlja optimalno krmiljenje elektromotorja za pomoč kolesarju [1].

(30)

Teoretične osnove in pregled literature

4

2.2 Senzorji vrtilnega momenta

Najbolj pomembne spremenljivke vseh vrtečih naprav so vrtilni moment, kotna hitrost in moč. Merjenje teh veličin je ključno za določanje učinkovitosti naprav, vzpostavljanje režimov delovanja in kontrolo procesov [2]. Moč je najpogosteje posredno merjena veličina in jo izračunamo iz produkta kotne hitrosti in momenta. Večina senzorjev kotne hitrosti deluje na podobnem principu, najbolj pogosto s pomočjo štetja določenega števila pulzov v enem vrtljaju gredi. S povečevanjem števila pulzov na vrtljaj tako povečujemo občutljivost senzorja. Za razliko od merjenja kotne hitrosti, je merjenje vrtilnega momenta veliko bolj problematično in ga bomo podrobneje obravnavali v sledečem poglavju.

2.2.1 Primeri uporabe

Ob pojavu vse večje avtomatizacije, se pojavlja tudi vse večja potreba po natančnem merjenju momenta v najrazličnejših pogonih. Moment je še posebej uporaben, saj v kombinaciji z vrtilno hitrostjo omogoča neposreden izračun moči, ki se prenaša v sistemu.

Senzorje vrtilnega momenta lahko dobimo v najrazličnejših aplikacijah.

- Pogosto se uporabljajo pri krmiljenju robotskih rok, predvsem v aplikacijah, kjer je potrebno zagotavljati konstantno silo oziroma pritisk, na primer pri finih površinskih obdelavah, ali pri prijemanju krhkih predmetov.

- Pri krmiljenju elektromotorjev.

- Pri hitro odzivnih sistemih, ki jih ne moremo krmiliti s pomočjo zaznavanja pomika oziroma zasuka.

- Pri preskušanju in kontroli procesov, kjer s pomočjo senzorjev momenta lahko zaznamo okvare, obrabo in poškodbe komponent.

- Pri meritvah moči rotirajočih pogonov.

- Pri kontroli kompleksnih nelinearnih sistemov.

- Pri testnih napravah [3].

2.2.2 Fizikalni principi merjenja momenta

Merjenje vrtilnega momenta je lahko zelo problematično, še najbolj neposredna oblika merjenja je z merjenjem sile na znani ročici. Pri merjenju si pomagamo z različnimi fizikalnimi pojavi in principi, način merjenja pa izberemo tako, da je čimbolj primeren za dano aplikacijo. Poznamo nekaj splošnih principov:

- merjenje deformacije gredi preko uporovnih merilnih lističev, - merjenje kotnega zasuka na delu gredi,

- merjenje zasuka deformacijskega elementa preko spremembe magnetnega polja, - merjenje reakcijske sile v podporni strukturi oziroma ohišju,

- merjenje toka na elektromotorju nam da posredno informacijo o navoru motorja,

- balansiranje neznanega momenta s pomočjo servomotorja z znano karakteristiko navora, - merjenje kotnega pospeška telesa z znano vztrajnostjo [3].

(31)

5

2.2.3 Merjenje deformacije gredi preko uporovnih merilnih lističev

Ena bolj zanesljivih metod merjenja vrtilnega momenta, je merjenje deformacije torzijskega elementa, ki ga umestimo neposredno med pogonsko enoto in porabnika, primer umestitve torzijskega elementa je prikazan na sliki 2.2. Pri uporabi torzijskega elementa z okroglim prerezom, deformacijo pod kotom 45° na os gredi izračunamo po enačbi (2.1), pri tem je 𝑟 radij gredi, 𝐺 strižni modul materiala, 𝐽 vztrajnostni moment prereza in 𝑇 navor.

𝜀 = 𝑟

2 ∙ 𝐺 ∙ 𝐽∙ 𝑇 (2.1)

Slika 2.2: Shema merjenja momenta z merilnimi lističi Izračunamo lahko tudi strižno napetost.

𝜏 =𝑇 ∙ 𝑟

𝐽 ^(2.2)

Deformacijo na površini tako merimo s pomočjo uporovnih merilnih lističev vezanih v Wheatstonov mostič, primer takšne vezave je prikazan na sliki 2.4. Tipičen merilni listič je sestavljen iz dolgega električnega prevodnika, naparjenega v serpentinastem vzorcu na tanko folijo in prilepljenega direktno na površino deformacijskega elementa. Prevodniku se ob deformaciji spremeni upornost, običajno je oblika prevodnika takšna, da je občutljiv le na deformacijo v določeni smeri. Pri okroglih gredeh se največje deformacije pojavijo v smereh pod kotom 45º na os gredi, zato v tej smeri namestimo tudi merilne lističe [2].

(32)

6

Na sliki 2.3 je predstavljena tipična izvedba merilnega lističa, jasno je razvidna smer v kateri merimo deformacijo, saj je v tej smeri prevodnik močno podaljšan. Vpliv deformacij v ostalih smereh na upornost lističa je zanemarljiv.

Slika 2.3: Izvedba uporovnega merilnega lističa [4]

S pomočjo primerne vezave lahko izničimo vplive temperature, aksialnih in upogibnih deformacij. Uporaba več lističev pa hkrati poveča občutljivost merilnega sistema. Moment, ki se prenaša preko gredi, lahko izračunamo iz razmerja vhodne in izhodne napetosti s pomočjo znane občutljivosti lističev 𝑠_{𝑙𝑖𝑠𝑡} in števila aktivnih lističev 𝑛 po enačbi [3]:

𝑇 = 8 ∙ 𝐺 ∙ 𝐽

𝑛 ∙ 𝑠_{𝑙𝑖𝑠𝑡}∙ 𝑟∙ 𝛿𝑣_𝑜

𝑣_𝑟𝑒𝑓 ^(2.3)

(33)

7 Slika 2.4: Wheatstonov mostič in možne postavitve lističev na torzijski element [3]

Tak način merjenja je precej točen in zanesljiv, ima tudi kar nekaj prednosti v primerjavi z ostalimi metodami:

- z vezavo v Wheatstonovem mostiču zelo dobro kompenziramo temperaturne, osne in upogibne raztezke, dosegamo majhno histerezo ter veliko linearnost in ponovljivost, - zaradi izredno majhne mase merilnih lističev lahko vrtilni moment merimo pri zelo

velikih vrtilnih hitrosti, saj je vpliv centrifugalnih sil na lističe zanemarljiv, - merimo lahko tako statičen kot dinamičen moment,

- merilni lističi so neobčutljivi na vibracije,

- takšni senzorji so ob primerni uporabi dolgoročno stabilni,

- moment lahko merimo v obeh smereh in neodvisno od smeri vrtenja gredi [5].

Glavna slabost tega principa je v tem, da za doseganje čim večje občutljivosti potrebujemo čimbolj deformabilen torzijski element. Prav deformabilnost torzijskega elementa lahko občutno zmanjša togost celotnega sistema. Druga slabost takih senzorjev je pravilna montaža lističev, ki je na ukrivljeni površini torzijskega elementa lahko precej težavna.

Za povečanje togosti sistema in zanesljivo montažo lističev se pogosto uporabljajo drugačne konstrukcije senzorjev vrtilnega momenta [3].

Na sliki 2.5 je prikazan torzijski merilni element z merilnimi lističi z večjo togostjo. V danem primeru so deformabilni elementi obremenjeni na upogib, tako se izognemo neposrednemu merjenju strižnih torzijskih deformacij na površini gredi. Deformacijski elementi so nameščeni na večjem radiju, zato pri manjšem kotnem zasuku gredi lahko zaznamo večjo deformacijo elementa.

(34)

8

Slika 2.5: Torzijski element z večjo togostjo za merjenje momenta z merilnimi lističi [3]

2.2.4 Merjenje zasuka deformacijskega elementa

Pri tem principu namesto merjenja raztezanja površine preko merilnih lističev, neposredno merimo kotni zasuk torzijskega elementa. Za torzijske elemente z okroglim prerezom lahko moment preko kota zasuka 𝜃 popišemo kot:

𝑇 = 𝐺 ∙ 𝐽

𝐿 ∙ θ ^(2.4)

pri čemer je L razdalja med točkama, med katerima merimo kotni zasuk, za boljšo predstavo je omenjeni zasuk prikazan na sliki 2.6. Za doseganje primerne občutljivosti mora biti togost deformacijskega elementa primerno nizka, podobno kot pri uporabi merilnih lističev.

Medsebojni zasuki so zelo majhni, zato potrebujemo zanesljivo in izredno natančno metodo merjenja zasuka [3].

Slika 2.6: Kot zasuka gredi pri torzijski deformaciji [2]

(35)

9

2.2.4.1 Neposredno merjenje zasuka

Na gredi merimo razliko zasuka na dveh skrajnih lokacijah. Pri merjenju zasuka na rotirajoči gredi je to še posebej problematično, saj je potrebno izmeriti le relativen zasuk obeh točk na gredi. Ena od izvedb omogoča merjenje relativnega zasuka na rotirajoči gredi s pomočjo indukcije, shema takšne izvedbe je prikazana na sliki 2.7. Na dveh lokacijah na gredi, med katerima želimo meriti relativni zasuk, namestimo feromagnetna zobnika. Ob zobnika v radialni smeri namestimo še dve indukcijski zaznavali. Med vrtenjem gredi ti zaznavali zaznavata posamezne zobe na vrtečem zobniku, kot izhodni signal tako dobimo neke vrste sinusni signal. Relativni zasuk gredi lahko enostavno razberemo iz faznega zamika obeh izmerjenih sinusnih signalov. S primerno filtracijo signalov, te lahko obravnavamo kot sinusne, fazni zamik 𝜙 je tako proporcionalen kotnemu zasuku 𝜃. Če ima zobnik 𝑛 zob, lahko enačbo za izračun momenta (2.5) zapišemo v obliki, kjer upoštevamo fazni zamik.

𝑇 =𝐺 ∙ 𝐽 ∙ 𝜙

𝐿 ∙ 𝑛 ^(2.5)

Slika 2.7: Merjenje zasuka preko faznega zamika [3]

(36)

10

2.2.4.2 Merjenje preko inducirane napetosti

Druga oblika, ki prav tako rešuje problem merjenja momenta na vrteči gredi, deluje na principu spreminjanja inducirane napetosti, ki je odvisna od deformacije torzijskega elementa iz feromagnetnega materiala. Na sliki 2.8 je takšna izvedba senzorja shematsko prikazana. Deluje na podoben način kot LVDT zaznavala pomika. V osnovi imamo cev iz feromagnetnega materiala z dvema vrstama rež, te so običajno orientirane v smeri največjih napetosti, torej pod kotom 45^o na os vrtenja, obe vrsti rež pa sta med seboj pravokotni. Ko je gred obremenjena, se zaradi pojava napetosti začne ena vrsta rež razpirati, druga pa zapirati. Okoli vrteče gredi so fiksno vpete primarne in sekundarne tuljave, tako da je ena sekundarna tuljava nad eno vrsto rež, druga pa nad drugo. Primarno tuljavo napajamo z izmeničnim tokom, na sekundarnih pa merimo inducirano napetost. Z deformacijo gredi in odpiranjem in zapiranjem rež se spreminja tudi inducirana napetost v obeh tuljavah. S primerno vezavo sekundarnih tuljav lahko efektivno merimo moment na gredi [3].

Slika 2.8: Merjenje momenta z induciranjem napetosti [3]

2.2.4.3 Senzor na principu magnetostrikcije

Magnetostrikcija je pojav, pri katerem pride do deformacije materiala, ko je ta izpostavljen magnetnemu polju. Možen je tudi obraten pojav, torej pri deformaciji materiala pride do spremembe njegove magnetnosti. Spremembo magnetnosti torzijske gredi iz takega materiala lahko merimo s pomočjo Hallove sonde, kot je to prikazano na sliki 2.9. Tako lahko posredno določimo tudi moment, ki se prenaša preko gredi. Najpogostejši materiali, ki so podvrženi temu efektu večinoma bazirajo na niklju [3].

(37)

11 Slika 2.9: Merjenje momenta s pomočjo magnetostrikcije [3]

2.2.5 Merjenje vrtilnega momenta preko reakcijske sile

Merjenje momenta s pomočjo elementa, ki je umeščen kot vmesni člen za prenos obremenitve, ima tudi svoje pomanjkljivosti. Dodaten člen tako pogosto zmanjša togost celotnega sistema in poveča vztrajnost, lahko pride do zmanjšanja odzivnosti sistema, ali sprememb momenta. Takšno merjenje je težavno tudi z vidika prenašanja signala, saj moramo v primeru rotirajoče gredi uporabiti drsne obročke ali eno od zgoraj opisanih tehnik brezžičnega prenosa signala.

Če konstrukcija to dopušča, se zgoraj opisanim problemom lahko elegantno izognemo z merjenjem reakcijske sile na podpori ali ohišju, ki je neposredno povezana preko momenta, ki se prenaša v sistemu. Shematska in praktična izvedba takšnega načina mejenja sta prikazani na slikah 2.10 in 2.11. Silo merimo na določeni razdalji 𝐿 od osi vrtenja in predstavlja našo ročico. Vrtilni moment lahko enostavno izračunamo iz produkta reakcijske sile in dolžine ročice:

𝑇 = 𝐹_𝑅 ∙ 𝐿 ^(2.6)

(38)

12

Slika 2.10: Shema merjenja reakcijske sile [3]

Alternativno možnost predstavlja montaža merilnih lističev na obremenjena mesta podpore, preračun pri takšni izvedbi je kompleksnejši, je pa primerna za večje, bolj obremenjene sisteme.

Slika 2.11: Merjenje reakcijske sile v praksi [5]

Glavna pomanjkljivost merjenja momenta preko reakcijske sile je slabša natančnost meritve, zaradi neupoštevanja izgub v ležajih in odstopanja pri pospeševanju gredi, zaradi vztrajnosti.

Tak način merjenja ni primeren za zelo dinamične sisteme, predvsem zaradi velikega vpliva vztrajnosti rotirajočih mas na izmerjene vrednosti. Vztrajnost v tem primeru deluje kot mehanski nizko prepustni filter, v določenih aplikacijah pa je ta lastnost lahko celo zaželena [3].

(39)

13

2.2.6 Določanje vrtilnega momenta z merjenjem toka na elektromotorju

Vrtilni moment se v elektromotorju generira preko elektromagnetne interakcije med magnetnima poljema rotorja in statorja. Preko električnega toka, ki generira magnetno polje, lahko ocenimo moment na izhodu motorja. Metoda ni izredno natančna, saj je moment na izhodu motorja običajno manjši, zaradi trenja v ležajih in vztrajnosti rotorja. Pri DC motorjih je merjenje toka relativno enostavno, možnih je več metod, od padca napetosti na znanem uporu, do merjenja magnetnega polja preko Hallovega efekta. Pri AC motorjih pa moramo upoštevati kombinacijo tokov več faz. Metoda merjenja momenta preko toka na motorju je cenovno ugodna in primerna v aplikacijah, kjer ni zahtevana velika natančnost meritve. S kompleksnejšimi računskimi modeli, ki upoštevajo še druge dejavnike pa lahko dosežemo večjo stopnjo točnosti in tak način merjenja uporabimo za krmiljenje enostavnejših sistemov [3].

2.3 Vpliv temperature na meritev vrtilnega momenta

Različne izvedbe senzorjev momenta so različno občutljive na zunanje moteče dejavnike.

Eden najvplivnejših dejavnikov je zagotovo sprememba temperature, ta lahko neposredno vpliva na zaznavalo, kot na primer pri uporabi merilnih lističev. Merilnim lističem se upornost spreminja tudi ob spremembi temperature in ne le ob deformaciji, vpliv temperature tako kompenziramo s primerno vezavo lističev. Vpliv temperaturnih sprememb pa je lahko tudi posreden. Ker senzorji momenta med delovanjem običajno zaznavajo izredno majhne deformacije in pomike, imajo lahko že najmanjši temperaturni raztezki velik vpliv na meritev in povečevanje merilne negotovosti. Pri razvoju senzorja je potrebno dokazati, da temperaturne spremembe nimajo večjih vplivov na osnovno funkcijo senzorja.

2.4 Izbrani koncept senzorja

V podjetju so se za senzor vrtilnega momenta električnega kolesa odločili za sodelovanje z zunanjo razvojno institucijo. Njihov princip meritve momenta deluje nekoliko drugače od prej opisanih konceptov. V osnovi gre še vedno za senzor, vključen v pogonski sklop z merjenjem zasuka deformabilne gredi. Senzor izkorišča magnetne pojave, a ima nekoliko drugačno zasnovo od zdaj znanih konceptov. Prvotno je bil zasnovan kot senzor momenta v volanskem sklopu avtomobila, za nadomeščanje hidravličnega servo pogona z brezkrtačnim DC motorjem. Z našega vidika je senzor primeren tudi za pogon kolesa, zaradi zelo podobnih obratovalnih pogojev, torej nizke vrtilne hitrosti in zmernih obremenitev, z zahtevano veliko občutljivostjo že pri manjših momentih.

(40)

14

2.4.1 Hallov pojav

Osnovno zaznavalo senzorja predstavlja Hallova sonda za merjenje magnetnega polja in omogoča brezkontaktno merjenje momenta na vrteči gredi.

Pojav je leta 1879 odkril E. H. Hall. Sprva je bila uporaba pojava omejena na majhno število aplikacij in vezana predvsem na preučevanje električne prevodnosti kovin in polprevodnikov, danes pa se Hallove sonde uporabljajo predvsem na področju zaznavanja magnetnih polj, pozicije, premikov in zasukov.

Efekt temelji na interakciji med gibajočimi se nosilci naboja, v kovinah so to elektroni, in zunanjim magnetnim poljem. Med gibanjem elektrona skozi magnetno polje nanj iz strani deluje sila:

𝑭 = 𝑞 ∙ 𝜈 ∙ 𝑩 ^(2.7)

pri tem je 𝑞 = 1.6 ∙ 10⁻¹⁹𝐶 naboj elektrona, 𝜈 hitrost elektrona in 𝑩 magnetno polje. Sila in magnetno polje sta v enačbi vektorski veličini, velikost in smer sile je tako odvisna od prostorske relacije z magnetnim poljem. Hallovo sondo si najbolj enostavno predstavljamo kot prevodno ploščo, prikazano na sliki 2.12. Na straneh sta pritrjena kontakta, na katera je povezan voltmeter, na zgornji in spodnji strani pa je pritrjen vir napajanja. Če je plošča postavljena v magnetno polje, začne sila potiskati elektrone v stran, na stranskih kontaktih se pojavi napetost 𝑣_𝐻, ki jo lahko merimo, odvisna je od velikosti in smeri magnetnega polja [6].

Slika 2.12: Shematski prikaz delovanja Hallove sonde [6]

(41)

15

2.4.2 Delovanje senzorja

Mehanski del generira magnetno polje, ki ga meri Hallova sonda. Senzor, ki je shematsko prikazan na sliki 2.13, je v principu sestavljen iz treh osnovnih komponent:

- Rotor, ki je fiksiran na enem delu torzijske gredi in je sestavljen iz permanentnih magnetov, pritrjenih na feromagnetno sredico. V serijski proizvodnji bi to lahko bil le en magnet namagneten tako, da bi imel pasove različne polaritete.

- Stator je pritrjen na drugi del torzijske gredi in je sestavljen iz dveh delov. Narejen je iz dveh obročev iz mehkega feromagnetnega materiala, iz njiju pa štrlijo lamele, ki se medsebojno ujemajo. Te lamele se v sestavu senzorja nahajajo nad magnetnim statorjem in imajo vlogo preusmerjanja magnetnega polja.

- Hallova sonda je fiksirana na ohišju in se ne vrti skupaj z mehanskim delom, nahaja pa se med obema obročema statorja [7].

Slika 2.13: Osnovna sestava izbranega senzorja momenta [7]

Osnova za delovanje senzorja je medsebojno odštevanje in izničenje magnetnega polja v nevtralni legi. Tako ima vsak par magnetnih polov na rotorju po eno lamelo na vsakem obroču statorja. Magnetno polje, ki ga prepušča stator, je odvisno od relativnega zasuka rotorja proti statorju. Na ta način dobimo zelo enostavno relacijo med zasukom torzijske gredi in signalom na Hallovem senzorju, za merjenje momenta tako ni potrebno meriti faznih zamikov z uporabo kompleksnejših preračunov, ampak izmerjeni signal le množimo z določenim faktorjem [7].

Za boljše razumevanje je na sliki 2.14 shematsko prikazan senzor v obeh skrajnih legah in vmesni legi. Na levi strani je senzor v nevtralni legi, lamele so postavljene tako, da se nahajajo med poli na rotorju, magnetno polje se tako izniči, sonda polja skoraj ne zaznava.

(42)

16

Na desni je prikazana druga skrajna lega, lamele so izmenično poravnane s poli rotorja, teoretično se takrat en pol prevaja na eno stran statorja, drugi pa na drugo stran. Med obroči statorja takrat dobimo zelo močno magnetno polje, ki ga zaznava sonda.

Na sredini je prikazano vmesno stanje, v podobni legi je senzor med delovanjem. Lahko si predstavljamo, da z medsebojnim vrtenjem rotorja proti statorju dobimo sinusni signal z minimumom in maksimumom v obeh skrajnih legah. V prehodnem območju imamo tako največjo občutljivost senzorja, prav tako pa lahko tam sinusni signal precej dobro aproksimiramo z linearno funkcijo, to je tudi delovno območje našega senzorja.

Slika 2.14: Relativni zasuki rotorja proti statorju

Za primer senzorja z osmimi pari magnetnih polov lahko merimo zasuk v območju 11,25º, signal pa lahko obravnavamo kot linearen le na območju nekaj stopinj. Izhodni signal takšnega senzorja je prikazan na sliki 2.15. Število magnetnih polov in merilno območje tako izberemo glede na zahteve za senzor in predvidene kotne zasuke torzijske gredi.

(43)

17 Slika 2.15: Spreminjanje izhodnega signala z zasukom rotorja proti statorju

(44)

18

(45)

19

3 Metodologija raziskave

Poglavje obravnava proces razvoja preizkuševališča senzorja vrtilnega momenta, od podrobnejše opredelitve zahtev in funkcij, skozi različne metode validacije, do končne zasnove. Predstavljeni bodo različni koncepti preizkuševališča, izbira najprimernejšega izmed njih in izbira komponent. Izdelan bo natančen 3D model izbranega koncepta. Na koncu bo predstavljena še izdelava samega preizkuševališča, skupaj s testnimi meritvami.

3.1 Prvi prototipi senzorja vrtilnega momenta za električna kolesa

Na podlagi patenta izbranega razvojnega podjetja so bili izdelani prvi prototipi senzorja.

Zasnova je nekoliko prilagojena vgradnji v pogonski sklop kolesa, princip delovanja pa je popolnoma enak, kot opisan v prejšnjem poglavju. Zgradbo senzorja lahko vidimo na sliki 3.1.

Slika 3.1: Sestav prototipa senzorja [8]

(46)

Metodologija raziskave

20

Na sliki 3.2 so jasno vidni trije osnovni deli prototipa senzorja. Na levi je sestavljen stator, ki se preko zobcev na zgornji strani, in s pomočjo objemke pritrdi na en del torzijske gredi.

Na desni je rotor z magnetno sredico, ki se prav tako pritrdi s pomočjo objemke. V sredini zgoraj je še elektronski del, ki pride fiksno nameščen na zunanjem ohišju pogona. Na sliki 3.3 pa lahko vidimo še umestitev senzorja na pogonski gredi kolesa.

Slika 3.2: Osnovne komponente senzorja [8]

Slika 3.3: Umestitev senzorja na pogonsko gred [8]

(47)

21

3.2 Zahteve za preizkuševališče

Pred začetkom konstruiranja, je zelo pomembno natančno poznati funkcijo izdelka in natančno opredeliti zahteve.

- Preizkušanec je senzor vrtilnega momenta električnega kolesa, sestavljen iz mehanskega dela in elektronike, ki z mehanskim delom ni fizično povezana.

- Potrebna je generacija momenta na vrteči gredi, v rangu med 0 in 200 Nm, z možnostjo nastavljanja na 0,5 Nm natančno.

- Hitrosti vrtenja gredi so med 0 in 200 vrtljaji na minuto, z natančnostjo nastavljanja 1 obrat na minuto.

- Naprava mora omogočiti preskušanje občutljivosti preizkušancev na temperaturo med - 10 ºC in 60 ºC.

- Menjava preizkušancev mora biti enostavna.

- Naprava mora omogočati preskušanje različnih izvedb senzorja, menjava delov za vpenjanje različnih senzorjev mora biti relativno enostavna.

- Elektronika senzorja mora biti natančno in pravilno pozicionirana.

- Naprava mora biti dovolj kompaktna in nameščena v preskusnem laboratoriju podjetja.

- Ležajna mesta in samo uležajenje mora biti dovolj natančno, da se zagotovi krožni tek v toleranci 0,05 mm.

- Zajemni sistem omogoča zajemanje signalov: referenčnega senzorja momenta, vrtilne hitrosti gredi, preizkušanca (analogni signal), vrtilne hitrosti s senzorji na preizkušancu (digitalni signal) in temperature.

3.3 Opredelitev tehničnega procesa preizkuševališča

Funkcija preizkuševališča je dokaj jasna in enostavna, to je generacija zahtevanega vrtilnega momenta in vrtilne hitrosti, z merjenjem teh vrednosti. Pri zagotavljanju funkcije smo omejeni z elementi, opredeljenimi v tehničnem procesu preizkuševališča. Obenem je cilj preizkuševališča prav preskušanje funkcije senzorja, ta je dovolj točno in zanesljivo merjenje momenta na vrteči gredi.

Tehnični proces je sestavljen iz posameznih funkcij, z njihovim seštevkom poskušamo kar se da dobro izpolniti vse podane zahteve. Natančna opredelitev funkcij nam zagotavlja dobro podlago za iskanje možnih rešitev in ocenjevanje primernosti različnih konceptov. Naše preizkuševališče lahko opredelimo s sledečimi funkcijami:

- pogon, zagotavlja vrtilno hitrost in moment, je vir moči;

- zavora, reguliramo moment, ki se pojavi na gredi med pogonom in zavoro;

- regulacija temperature, omogočeno je nastavljanje temperature okolice preizkušanca;

- ogrodje, je dovolj togo in prenaša sile, ki se pojavljajo zaradi generiranega momenta;

- vpenjane preizkušanca, omogočeno je enostavno vpenjanje in izpenjanje preizkušancev;

- uležajenje omogoča krožni tek gredi znotraj tolerance;

- merjenje momenta na gredi, potrebna je referenca, s katero primerjamo rezultate, ki jih da preizkušanec;

(48)

22

- preprečevanje preobremenitve je pomembno zaradi zagotavljanja varnosti in za varovanje komponent preizkuševališča;

- pozicioniranje elektronike senzorja.

3.4 Morfološka matrika in različni koncepti rešitve

Z opredelitvijo tehničnega procesa, lahko sestavimo nabor delnih funkcij, ki jih moramo izpolniti za zagotavljanje osnovne funkcije. Iskanje različnih konceptov lahko izvedemo s pomočjo morfološke matrike. Ta ima v prvem stolpcu navedene vse zahtevane delne funkcije, v ostalih pa različne rešitve za vsako delno funkcijo posebej. Različne rešitve celotnega tehničnega sistema dobimo s kombiniranjem različnih delnih rešitev, pri tem moramo biti pozorni, da kombiniramo smiselne rešitve, saj se te lahko med seboj izključujejo [9]. V našem primeru, recimo, izpolnjevanje funkcije vpenjanja preizkušanca z namenskim aksialno pomičnim uležajenjem, izključuje uporabo pred izdelanih ohišji z ležaji.

Morfološka matrika našega preizkuševališča je prikazana v preglednici 3.1.

(49)

23 Preglednica 3.1: Morfološka matrika

FUNKCIJE REŠITVE

1 2 3 4 5 6

A pogon AC motor +

reduktor servo motor +

reduktor servo motor hidravlika

B zavora mehanska

disk servo motor +

reduktor servo motor elektro

zavora hidravlika AC motor + reduktor

C zagotavljanje želene temperature

gretje s pihanjem zraka

izdelava termo

komore uporaba

obstoječe termo komore D ogrodje samostoječe namizno

preizkuševališče montaža na komoro

E vpenjanje preizkušanca

razstavljanje uležajenja

aksialno pomično

predhodno vpenjanje preizkušanca v vpenjalo F uležajenje ležaji na

gredi preizkušanca

namensko izdelana ohišja za ležaje

uporaba standardnih ohišji z ležaji G referenčni

senzor

merjenje reakcijske sile

referenčni senzor momenta na vrteči gredi

H preprečevanje

preobremenitve mehanska varnostna sklopka

regulacija preko krmiljenja

I pozicioniranje

elektronike avtomatski pomik (koračni motorčki)

pozicionirna

mizica (ročno) fiksno vpetje

V naši morfološki matriki so delne funkcije označene s črkami, rešitve pa s številkami, na ta način lahko enostavno zapišemo kombinacije različnih rešitev. Dobimo različne koncepte tehničnega sistema. V našem primeru smo izpeljali šest različnih konceptov.

(50)

24

Koncepti

K1: A1+B1+C1+D2+E1+F1+G1+H1+I3 K2: A2+B2+C3+D3+E2+F2+G2+H1+I2 K3: A3+B3+C2+D1+E3+F2+G2+H1+I1 K4: A1+B4+C3+D3+E2+F2+G2+H2+I2 K5: A4+B5+C2+D1+E3+F3+G1+H1+I2 K6: A1+B6+C3+D3+E2+F2+G2+H1+I2

Za boljšo predstavo bodo v nadaljevanju koncepti predstavljeni tudi s skicami, posamezne rešitve iz morfološke matrike bodo označene simbolično. Na sliki 3.4 lahko vidimo seznam simbolov rešitev.

Slika 3.4: Seznam simbolov za različne rešitve

3.4.1 Koncept K1

Prvi koncept, prikazan na sliki 3.5, je zamišljen kot najenostavnejši, večinoma je narejen z že obstoječimi komponentami, po prvi grobi oceni bi lahko bil tudi cenovno najbolj ugoden.

Preizkuševališče deluje na podobnem principu kot naše testno preizkuševališče na stružnici.

To bi bila namizna izvedba, vse komponente bi bile privijačene na aluminijasto ploščo.

Za pogon bi lahko uporabili že izdelano gonilo z vgrajenim AC motorjem, z dodatno vezavo in krmilnikom bi z njim lahko regulirali tudi vrtljaje gredi. Moment bi se reguliralo preko disk zavore, referenčni merilnik momenta pa bi predstavljal kar silomer na ročici pritrjeni na zavorno čeljust. Takšen način merjenja momenta je razmeroma enostaven in cenovno ugoden, lahko bi uporabili kar sklop, ki smo ga uporabljali na obstoječem improviziranem preizkuševališču. Kljub enostavni izvedbi, ima disk zavora svoje slabosti, med prvimi preskusi se je izkazalo, da je z njo nemogoče zagotavljati konstanten vrtilni moment, saj

(51)

25 prihaja do neenakomernega prijemanja zavorne čeljusti. Moment je pri uporabi disk zavore nihal tudi v razponu 20 Nm, kar za zahtevnejše preizkuse ne pride v poštev.

Predvsem zaradi možnosti blokade zavornih čeljusti je v tem primeru nujna uporaba mehanske varnostne sklopke. Uležajenje je predvideno kar se da enostavno, menjavo preizkušanca omogoča dvodelno ohišje za ležaje. Z razstavljanjem ohišja bi tako lahko sneli celotno gred in zamenjali preizkušanec, menjava bi bila relativno zahtevna, ne bi pa bila potrebna izdelava zahtevnejših elementov. Pri takšni vgradnji ležajev je lahko problematično zagotavljanje primerne natančnosti teka.

Preskušanje pri povišanih temperaturah je predvideno z uporabo zunanjega vira toplote npr.

grelca na vroč znak, v tem primeru bi bila regulacija temperature dokaj problematična, prav tako ne bi mogli dosegati nizkih temperatur.

Elektronika bi bila pritrjena na fiksnem nosilcu, manjše pomike bi lahko dosegli z ovalnimi izvrtinami za vijake in jo tako pravilno pozicionirali.

Slika 3.5: Koncept K1

3.4.2 Koncept K2

Drugi koncept, prikazan na sliki 3.6, je zasnovan za uporabo v sklopu z obstoječo temperaturno komoro, ki se nahaja v testnem laboratoriju podjetja. S komoro bi se zagotavljalo zelo natančno regulacijo temperature, komora pa omogoča tudi preskušanje pri temperaturah pod ničlo. Ogrodje preizkuševališča bi bilo prilagojeno montaži na komoro.

Tako pogonski, kot zavorni sklop, bi bila zelo podobna, moment bi se generiral med dvema reduktorjema, ki bi jih poganjali s servomotorji. Uporaba servomotorjev omogoča zelo enostavno kontrolo vrtilne hitrosti. Moment na gredi bi spreminjali z relativnim zaostajanjem enega motorja proti drugemu, potrebna bi bila natančna sinhronizacija in

(52)

26

krmiljenje motorjev. Takšen pogon bi lahko izvedli z neposredno vgradnjo servomotorjev, vendar lahko z uporabo primernega reduktorja precej znižamo zahtevano moč servomotorjev in posledično tudi ceno.

Moment bi lahko natančno spremljali s pomočjo referenčnega senzorja, ki bi bil v povratni zanki vezan na krmilnik motorjev, kar bi omogočalo natančno reguliranje momenta na gredi.

Varovanje pred preobremenitvijo bi bilo lahko izvedeno programsko, vendar smo se v tem primeru za povečanje varnosti odločili še za mehansko varnostno sklopko.

Menjava preizkušanca mora biti dovolj enostavna, predvsem zaradi montaže znotraj komore rešitve z razstavljanjem uležajenja ne pridejo v poštev. Izbrana delna rešitev omogoča enostavno menjavo preizkušanca z aksialnim odmikom gredi in natikanjem preizkušanca.

Potrebna je izdelava namenskega uležajenja in kompleksnejših grednih vezi.

Elektroniko bi pozicionirali z ročno xyz pozicionirno mizico.

3.4.3 Koncept K3

Ta koncept predvideva izgradnjo samostojne naprave, poleg celotnega preizkuševališča bi tako morali izdelati še temperaturno komoro. Prikazan je na sliki 3.7. Glavna prednost bi bila v tem, da bi komoro lahko prilagodili dimenzijam preizkušanca in ne bi bilo potrebno prilagajati celotne zasnove sami komori.

(53)

27 Pogon bi bil izveden na zelo podoben način kot pri konceptu K2, le da bi se tu izognili uporabi reduktorjev. Na ta način bi dobili bolj odziven sistem, z manjšo histerezo in izgubami zaradi trenja v gonilu, bi pa morali uporabiti občutno močnejše servomotorje, kar bi izdatno podražilo celotno napravo.

Dodatno varnost bi prav tako zagotovili z uporabo varnostne sklopke. Vrtilni moment pa bi spremljali preko referenčnega senzorja momenta.

Montaža senzorja v majhni komori bi bila najenostavnejša s predhodnim vpenjanjem senzorja v vpenjalo, ki bi se ga nato lahko zelo enostavno vstavilo v fiksno uležajenje.

Montaža bi bila izredno enostavna, vprašljivo pa bi bilo zagotavljanje zahtevane tolerance opletanja.

Pozicijo elektronike bi spreminjali avtomatsko, z uporabo koračnih motorjev z vreteni, to bi omogočalo pomike elektronike brez poseganja v komoro in posledično brez sprememb temperature.

3.4.4 Koncept K4

Ta koncept je zelo podoben konceptu K2, ponovno se predvideva montaža na obstoječo temperaturno komoro. Ponovno je uporabljeno uležajenje, ki omogoča montažo z aksialnim pomikom gredi, moment se meri z referenčnim senzorjem, shematski prikaz je predstavljen na sliki 3.8.

Glavna razlika je v pogonu, za regulacijo momenta se uporablja zelo natančna elektro zavora. Za poganjanje ne potrebujemo servomotorja, dovolj je običajen AC motor z vgrajenim reduktorjem, potrebna je le regulacija vrtljajev. Zaradi velike zanesljivosti elektro

(54)

28

zavore ne potrebujemo mehanske varnostne sklopke. Glavni problem predstavlja visoka cena elektro zavor.

3.4.5 Koncept K5

Podobno kot K3 je tudi ta koncept zamišljen kot samostojna naprava, prikazan je na sliki 3.9. Prav tako predvideva izgradnjo lastne komore, uporabo referenčnega senzorja, varnostne sklopke in vpenjanje senzorja s pomočjo vpenjala. Uležajenje je izvedeno s počjo standardnih ohišij z ležaji, za nižanje stroškov pa je uporabljena ročna mizica za pozicioniranje elektronike.

Glavna razlika je v pogonu, kjer je predvidena uporaba hidravlike, ta omogoča doseganje velikih momentov z zelo majhnim hidravličnim motorjem in zavoro. Z uporabo proporcionalnih ventilov je regulacija razmeroma enostavna, prav tako so z uporabo hidravlike prehodi zelo mehki. Glavna slabost je zelo drag hidravlični sistem, ki v primerjavi z ostalimi rešitvami potrebuje ogromno vzdrževanja.

(55)

29 Slika 3.9: Koncept K5

3.5 Vrednotenje različnih konceptov

Pri izboru najprimernejšega koncepta lahko izvedemo različna vrednotenja. Pomembno je, da naprava kar se da dobro izpolnjuje vse zahtevane tehnične kriterije, in da so predvidene rešitve izvedljive. Zelo pomemben je tudi ekonomski vidik, oziroma iskanje najboljšega razmerja med tehnično vrednostjo in stroški izdelave. Na koncu ni nujno izbran tehnično najboljši koncept, ampak tisti, ki zadosti vsem kriterijem pri najnižji ceni.

Tehnično vrednotenje izvedemo v tabeli, kjer v levi stolpec vnesemo zahtevane funkcije, v zgornji vrstici pa imamo različne koncepte. Vsaki funkciji pripišemo utež oziroma delež pomembnosti te funkcije, tako da je seštevek vseh uteži enak 1. Pomembnejše funkcije imajo višjo utež in večji vpliv na skupno oceno koncepta. Tehnično vrednost posamezne rešitve ocenjujemo v tabeli z vrednostmi 1 do 5, kjer 1 pomeni najslabše izpolnjevanje zahtev, 5 pa najboljše. Ocena je nekoliko subjektivna in temelji na splošni oceni posameznih rešitev ter preteklih izkušnjah. Idealnost posameznega koncepta ocenimo z množenjem ocen posameznih rešitev z utežmi in seštevanjem po stolpcih. Skupne ocene na koncu normiramo, tako dobimo številčno vrednost med 0 in 1, pri čemer bi 1 predstavljala idealni koncept.

Tehnično vrednotenje različnih konceptov našega preizkuševališča je prikazano v preglednici 3.2.

(56)

30

Preglednica 3.2: Tehnično vrednotenje rešitev

TEHNIČNA VREDNOST

FUNKCIJE UTEŽ K1 K2 K3 K4 K5 idealno

pogon 0,1 2 4 5 3 4 5

zavora 0,18 1 4 5 5 4 5

zagotavljanje želene

temperature

0,08 1 5 4 5 4 5

ogrodje 0,05 4 3 4 3 4 5

vpenjanje preizkušanca

0,18 2 5 4 5 4 5

uležajenje 0,15 2 5 5 5 3 5

referenčni senzor 0,17 3 5 5 5 3 5

preprečevanje preobremenitve

0,06 5 5 5 3 5 5

pozicioniranje elektronike

0,03 1 3 4 3 3 5

0,432 0,912 0,932 0,904 0,742 1

S tehničnim vrednotenjem smo določili koncepte, ki najboljše izpolnjujejo naše zahteve.

Najboljši je koncept K3, zelo dobro oceno pa imata tudi koncepta K2 in K4.

Pri izbiri zmagovalnega koncepta je zelo pomembno tudi ekonomsko vrednotenje, saj je tehnično najboljša rešitev pogosto tudi zelo draga. Vrednotenje izvedemo zelo podobno, kot smo to naredili pri tehničnem vrednotenju, prikazano je v preglednici 3.3. V našem primeru ekonomski vidik razdelimo na tri sklope: stroški nabave, stroški vzdrževanja in razvojni stroški. Pri stroških nabave ocenimo stroške za nabavo in izdelavo vseh komponent in izgradnjo celotne naprave, v razvojnih stroških pa upoštevamo tudi zahtevnost krmiljenja in programiranja takšne naprave. Podobno kot prej vsakemu vidiku dodelimo utež, ocenjujemo vsak koncept posebej in rezultate na koncu normiramo.

Preglednica 3.3: Ekonomsko vrednotenje rešitev

EKONOMSKA UPRAVIČENOST

UTEŽ K1 K2 K3 K4 K5 idealno

stroški nabave 0,5 5 3 1 2 2 5

vzdrževanje 0,2 4 4 4 4 2 5

razvojni stroški 0,3 4 2 2 2 2 5

0,9 0,58 0,38 0,48 0,4 1

Pri ekonomskem vrednotenju se je kot daleč najugodnejši izkazal koncept K1, ki je zasnovan z najenostavnejšimi komponentami. Da bi videli širšo sliko in poiskali koncept z najboljšim razmerjem med ekonomskim in tehničnim vidikom, je najbolje izračunane vrednosti

(57)

31 prikazati grafično, kot je to prikazano na sliki 3.10. Na grafu abscisa predstavlja tehnični vidik, ordinata pa ekonomski vidik. Rešitev je tem boljša, čim bližje se približa zgornjemu desnemu vogalu grafa, rešitve z dobrim razmerjem med ekonomskim in tehničnim vidikom pa so tudi blizu diagonale.

Slika 3.10: Razmerje tehnične in ekonomske vrednosti za različne koncepte

Iz grafa je razvidno, da noben od konceptov nima idealnega razmerja med ekonomsko in tehnično vrednostjo. Koncepti K2, K3 in K4 imajo zelo podobno tehnično vrednost, vendar je med njimi koncept K2 cenovno najugodnejši. Po ekonomskem in tehničnem vrednotenju smo se odločili, da nadaljujemo s konstruiranjem koncepta K2.

3.6 Izbira komponent in potrditev izbranega koncepta preizkuševališča

Glede na izbrani koncept in znane zahteve, lahko izberemo primerne standardne komponente in določimo tiste, ki jih bo potrebno izdelati po naročilu. Pri izboru komponent je zelo pomemben tudi ekonomski vidik, potrebno je bilo pridobiti ponudbe različnih proizvajalcev in izbrati tehnično in cenovno najustreznejše. Kot predvideno največji strošek preizkuševališča predstavlja pogon vključno s krmiljenjem, nezanemarljiv pa je tudi strošek referenčnega senzorja.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

EKONOMSAK UPRAVIČENOST

TEHNIČNA VREDNOST

idealno K1 K2 K3 K4 K5

(58)

32

3.6.1 Izbira referenčnega senzorja

Pri izbiri referenčnega senzorja smo bili pozorni na zagotavljanje primerne zmogljivosti senzorja, pomemben faktor pri izbiri pa je predstavljala tudi cena, saj bolj zmogljivi senzorji momenta na vrteči gredi, lahko dosegajo izredno visoke cene.

Zahtevana merilna negotovost našega senzorja je v rangu 0,5 Nm, zato bi za zagotavljanje zanesljive primerjave potrebovali vsaj petkrat zmogljivejši senzor, torej z merilno negotovostjo manjšo od 0,1 Nm.

Pri pregledu senzorjev na trgu smo ugotovili, da tako zmogljivi senzorji dosegajo cene, ki občutno presegajo proračun za izgradnjo našega preizkuševališča. Zato smo bili prisiljeni izbrati nekoliko manj zmogljiv senzor. Izbrali smo senzor proizvajalca Kistler tip 4501A.

Senzor je še vedno zadovoljivo zmogljiv, njegova merilna negotovost znaša 0,2 % merilnega območja, kar v našem primeru pomeni 0,4 Nm. Izbrani senzor deluje na principu merilnih lističev in je občutno cenejši od senzorjev s primerljivo zmogljivostjo, saj za prenos signala uporablja drsne obročke namesto brezžične komunikacije, in zato ne omogoča merjenja pri visokih vrtilnih hitrostih. Ker v naši aplikaciji merimo moment pri precej nizkih vrtilnih hitrostih, takšna omejitev senzorja ni problematična. Izbrani senzor lahko vidimo na sliki 3.11.

Slika 3.11: Izbrani referenčni senzor momenta [10]

Ob upoštevanju rezultatov na improviziranem preizkuševališču, smo se odločili, da je za trenutne potrebe takšen senzor dovolj zmogljiv in primeren za izvajanje dinamičnih meritev v fazi razvoja. Kalibracija naših senzorjev bo najverjetneje izvedena ob statičnem obremenjevanju in ne na vrteči gredi z uporabo primernega senzorja momenta ali senzorja sile.

(59)

33

3.6.2 Izbira povezovalnih in varnostnih elementov

Ob pojavu nepravilnosti pri sestavljanju preizkuševališča, predvsem v primeru nesoosnosti povezovalnih gredi, bi v sistem lahko vnašali dodatne napetosti, ki bi se izražale v popačenem signalu. Za zmanjševanje vpliva takšnih napak smo predvideli uporabo izravnalnih sklopk.

Kistler za varovanje izbranega senzorja v primeru nenatančne montaže priporoča sklopke s kovinskimi mehovi, ki se lahko namestijo neposredno na gred senzorja. Izbrali smo priporočeno sklopko tipa 2301A, prikazano na sliki 3.12.

Slika 3.12: Izbrana izravnalna sklopka [11]

V celotnem sistemu je predvideno tudi mehansko varovanje pred preobremenitvijo. Odločili smo se za kombinacijo mehanske varnostne sklopke in sklopke s kovinskim mehom za izravnavanje geometrijske netočnosti, prikazane na sliki 3.13. Sklopka je nastavljena na maksimalni dopustni moment 200 Nm in omogoča nastavljanje maksimalnega momenta med 150 in 240 Nm. Ob pojavu mehanske preobremenitve sklopka prekine povezavo med gredmi in tako razbremeni sistem.

Slika 3.13: Izbrana varnostna sklopka [12]

(60)

34

3.6.3 Zagotavljanje aksialnega pomika gredi za menjavo preizkušanca

V konceptu preizkuševališča je menjava preizkušanca predvidena z aksialnim pomikom gredi, tega lahko dosežemo na različne načine, z uporabo utornih grednih vezi, različnih objemk in puš. Pri izbiri primerne rešitve, je glavno vlogo igralo dovolj dobro centriranje gredi in enostavna menjava preizkušanca.

Izbrali smo hidravlično pušo z mehom, ki omogoča montažo in demontažo s privijanjem le enega vijaka in omogoča izredno dobro centriranje. Puša je izdelana v obliki meha, ki se ob privijanju vijaka in stiskanju olja v njej razširi in preko trenja poveže zunanjo votlo gred z notranjo. Način delovanja takšne puše je razviden iz slike 3.14. Prednost takšne rešitve je tudi v tem, da ob preskušanju drugačnega senzorja ne potrebujemo izdelati novega vpenjala z, na primer, razmeroma zahtevno utorno vezjo, ampak na vpenjalu izdelamo le gred s primernim premerom in toleranco.

Slika 3.14: Princip delovanja izbrane hidravlične puše [13]

3.6.4 Pozicioniranje elektronike senzorja

Za določanje vpliva pozicije elektronike na kakovost meritve in pravilno montažo elektronike, smo izbrali triosno pozicionirno mizico z mikro vijaki, kot jo lahko vidimo na sliki 3.15.

(61)

35 Slika 3.15: Mizica za pravilno pozicioniranje elektronike senzorja

3.6.5 Izbira pogona

V našem primeru sta tako pogon, kot zavora sestavljena iz servomotorja in reduktorja, zaradi čim večje univerzalnosti in obremenjevanja v obe smeri vrtenja, smo se odločili, da bosta tako pogonski, kot zaviralni motor enako močna.

Začeli smo z izbiro reduktorja, z višanjem njegovega prestavnega razmerja, lahko močno zmanjšamo potrebno moč in posledično ceno servomotorja, zmanjša pa se tudi potrebna resolucija motorja, saj se moment pojavi kot posledica razlike v kotnem zasuku. Pri izbiri reduktorja smo bili pozorni na karakteristike običajnih servomotorjev, saj smo pri izbiri prestavnega razmerja omejeni tudi z najvišjimi možnimi vrtljaji motorja. Večina obravnavanih servomotorjev ima nazivno moč pri 3000 vrtljajih na minuto, z doseganjem do 6000 vrtljajev na minuto.

Odločili smo se za kotno gonilo s prestavnim razmerjem 24, glavna prednost kotnega gonila pred npr. polžnim je boljši izkoristek, poleg tega ni nagnjeno k samozapornosti in možni blokadi pogona, še vedno pa z njim lahko dosegamo velika prestavna razmerja. Pri danem prestavnem razmerju tako na gredi dobimo vrtilne hitrosti v rangu 200 vrtljajev na minuto, pri 5000 vrtljajih motorja, kar ustreza večini dobavljivim standardnim AC servomotorjem.

Pri izbiri servomotorja smo omejeni z zahtevano močjo, to lahko enostavno izračunamo iz produkta kotne hitrosti in momenta. V našem primeru je maksimalna moč odvisna od zahtevane maksimalne vrednosti vrtilnega momenta, torej 200 Nm in največje hitrosti vrtenja 200 vrtljajev na minuto.