Strojárstvo
odborné a vedecké články
Obsah \ Contents
02
11
Laserový snímač na
kontrolu súčiastok
Membránový ventil
spaľovacieho motora
Laser Sensor for Inspection
of Parts
Impact of Membrane Valve
on Engine Power
06
12
Planétový mechanizmus
s viazaným satelitom
Manažment rizík –
dôležitá súčasť riadenia
Planetary Mechanism with
Blocked Planet Gear
Risk management – the
important part of modern
business management
07
16
Riadiaci systém
spaľovacích motorov
Burza
Exchange
Control System of Combustion
Engines
Strojárstvo EXTRA – miesto pre recenzované odborné príspevky
Laserový snímač
na kontrolu súčiastok
TEXT/FOTO:
J. BARTL a kol., Ústav merania SAV, Bratislava
Z hľadiska spoľahlivosti a dlhodobej životnosti niektorých špeciálnych výrobkov strojárskej produkcie je kontrola kvality
ich funkčných plôch veľmi dôležitou operáciou, napríklad vo výrobe automobilov. Výrobcovia špeciálnych mechanických
komponentov požadujú, aby meranie, kontrola kvality a presnosti výroby bola realizovaná počas, alebo následne po
operácii superfinišovania, lapovania alebo leštenia.
H
lavný dôraz je kladený na čas
potrebný na meranie a kontrolu,
ktorý by mal trvať iba niekoľko
sekúnd. V snahe vyhovieť týmto
požiadavkám bol vyvinutý snímač a merací
systém založený na bezkontaktnom optickom princípe a rýchlom vyhodnotení nameraných údajov a testovaných parametrov súčiastok počítačom.
Náš príspevok je zameraný na vývoj laserového snímača rozptylu na rýchle testovanie funkčných plôch presných strojárskych
výrobkov.
presné strojárske výrobky
Koncové mierky rádu 00 patria medzi najpresnejšie strojárske výrobky. Ich zrkadlovo lesklý povrch funkčných plôch opracovaných leštením musí mať drsnosť menšiu
ako 0,01 µm a musí striktne spĺňať podmienku dokonalej rovinnosti a rovnobežnosti funkčných plôch. Podobne prísne požiadavky sú kladené na kvalitu funkčných
plôch nástavných krúžkov, ktoré slúžia na
kalibráciu trojbodových meradiel kruhových otvorov. Ale aj iné špeciálne mechanické súčiastky dennej spotreby musia byť
prísne kontrolované. Takými sú súčiastky
valivých ložísk (guľôčky, valčeky, kónické
valčeky, ložiskové krúžky a hriadele); piestnice tlmičov pre automobily, piesty a valce vstrekovacích trysiek, vstrekovacie elementy systémov common rail, hriadeľky
a púzdra dvojradových ložísk pre spriadacie stroje a iné. V publikácii [1] sa uvádza,
že minimálne hodnoty parametrov pre ložiskové krúžky po superfinišovaní majú byť
pre drsnosť 0,05 µm, vlnitosť 0,09 µm, ovalita 1,0 µm. Tieto hodnoty sú podstatne
menšie pre vonkajšie obežné dráhy valčekov a hriadeľov vysokootáčkových ložísk
alebo piestov a puzdier tlmičov.
Meranie stavu povrchu funkčných plôch
strojárskych súčiastok pre technické zariadenia nadobúda stále väčší a väčší význam
v modernej výrobe. Ide o také súčiastky,
kde presnosť tvarov, vlnitosť a drsnosť hrajú dôležitú úlohu. Tieto parametre určujú funkčné vlastnosti finálneho zariadenia.
Vznik vibrácií a hluku v prevodoch alebo
motoroch je skoro vždy závislý od vlnitosti povrchu. Drsnosť povrchu vplýva najmä
na veľkosť trenia medzi stýkajúcimi sa plochami. Z hľadiska spoľahlivosti a dlhodobej
funkčnosti niektorých výrobkov strojárskej
produkcie je veľmi dôležitá kontrola kvality ich povrchu.
Vysoká kvalita povrchu rotačných súčiastok sa dosahuje superfinišovaním. Úber
materiálu a drsnosť obrobeného povrchu
závisí od pomeru rýchlostí pri superfinišovaní. Ak vo je obvodová rýchlosť otáčania obrobku, vn rýchlosť pohybu nástroja,
potom ich vektorovým zložením je okamžitá rýchlosť v brúsiaceho, resp. leštiaceho zrna (obr. 1). Maximálny úber materiálu sa dosahuje približne pri rovnosti oboch
rýchlostí vo = vn. Najmenšia drsnosť povrchu sa dosahuje pri pomere vn / vo = 4,5
až 5. Všeobecne možno povedať, že superfinišovaním sa zmenšuje vlnitosť povrchu,
odchýlka kruhovitosti a drsnosť povrchu.
V literatúre [3] sa uvádza, že pri znížení drsnosti funkčných plôch z Ra = (1,16 –
1,32) µm na Ra = (1,125 – 0,08) µm vzrastie
trvanlivosť ložiska na dvojnásobok a hladina vibrácií klesne o 2 dB. Pri ďalšom znížení
drsnosti na Ra = (0,063 – 0,04) µm sa zvyšuje trvanlivosť ložiska o ďalších 20 % a hladina vibrácií klesne až o 6 dB v porovnaní
s Ra = (1,16 – 1,32) µm.
Pre dosiahnutie úspor materiálu a energie sa
výrobcovia ložísk zameriavajú na technológie,
ktoré zabezpečujú nižšie výrobné náklady, ale
pritom aj vyššiu kvalitu ložísk prejavujúcu sa
predovšetkým zvýšenou trvanlivosťou ložiska. Jednou z takýchto technológií je tvárnenie za studena rozvalcovaním, ktoré ako prvá
zaviedla anglická firma Form-Flo.
Povrchové defekty ako praskliny a trhlinky môžu mať svoj pôvod už v mikroštruktúre ocele, ktorá súvisí s nerovnomerným
rozložením karbidov a karbidickej sieťoviny
v materiáli. Technológovia – metalurgovia
sa pre zabezpečenie požiadavky, že pri prevádzke valivého ložiska pri zvýšenej teplote
za 2 500 h nesmie nastať väčšia zmena rozmerov ako 0,015 %, snažia dosiahnuť po kalení a popúšťaní optimálnu mikroštruktúru
ocele. Avšak najpravdepodobnejšiu príčinu
vzniku škrabancov, trhliniek a nedoleštených
miest treba hľadať v technológii finálneho
opracovania povrchu po predchádzajúcom
kovaní predkovkov, lisovaní polovýrobkov,
ťahaní, pretláčaní, sústružení a brúsení pri
dokončovacích operáciách, akými sú lapovanie ložiskových guliek, leštenie páskou, leštenie kladkou a superfinišovanie.
resumé
Laser Sensor for Inspection of Parts
In the field of development for measurement
technology in mechanical production there
are preferred the requirements for inspection
of geometrical shape accuracy, surfaces and
axis relative position of machined parts. These
requirements are intended predominately to the
measuring operations which would be already
performed directly at the part machining so
during production process. It is the active quality
control of production linked with the actual tool
machine regulation. The contribution deals
with the development of special laser sensor
for a quick inspection of accurate mechanical
engineering parts in production process.
(Dokončenie na www.strojárstvo.sk alebo si celý príspevok môžete prečítať v elektronickej verzii mesačníka Strojárstvo/Strojírenství č. 11/2010)
72/ 2
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
mikroštruktúra povrchu mechanických
súčiastok
Obr. 1
Ako je známe z náuky o kovoch [2] pri vysokých stupňoch plastickej deformácie
(stupni pretvárnenia) sa náhodná orientácia zŕn mení na usmernenú orientáciu
– textúru „smer vlákien“. So zvyšovaním
stupňa pretvárnenia sa jednotlivé kryštály
postupne čím ďalej, tým viac natáčajú jedným smerom tak, aby zaujali vhodnú polohu so smerom pôsobiacej sily. Pri tlaku je
to smer kolmý a pri ťahu smer rovnobežný
so smerom pôsobiacej sily. Pri výrobe ložiskových krúžkov z rúrok postupovým spôsobom, napr. Hatebur [3] je pretvárnenie
pomerne vysoké, priebeh vlákien je pravidelný a rovnobežný s osou. Najoptimálnejší
je však priebeh vlákien rovnobežný s valivou plochou.
Východiskovým polovýrobkom je rúrka
s vyvŕtaným stredom, ktorá sa po úprave axiálne valcuje. Krúžky sa rozvalcujú aj
s drážkami pre kryty a tesnenie. Čas cyklu rozvalcovania krúžku je 8 až 10 sekúnd.
Pri tomto výrobnom postupe je priebeh
vlákien rovnobežný s valivou plochou ložiska. Základnou podmienkou úspešnosti
tohto výrobného procesu je to, aby polovýrobok mal správnu hmotnosť v tolerancii do 2,7 %. Polovýrobok má rovnakú šírku
ale menší priemer ako rozvalok. Pri tomto
spôsobe tvárnenia vonkajších ložiskových
krúžkov sa zväčšuje vonkajší priemer polovýrobku až o 1,25 násobok. Rozvalcovaný
krúžok sa bez ďalšej úpravy tepelne spracuje. Pri tangenciálnom valcovaní sa pred tepelným spracovaním brúsia iba čelá [3]. Aj
napriek nesporným výhodám technológie
rozvalcovania za studena sa môžu vzhľadom na vysoký stupeň pretvárnenia pri
niektorých kusoch objaviť drobné trhlinky.
Výrobcovia sa v snahe dodržať kvalitu svojej produkcie usilujú zabezpečiť 100 % kontrolu kvality povrchu funkčných plôch.
Ako je známe [1], každá technologická metóda opracovania povrchu technických plôch zanecháva nerovnosti, ktoré
majú zásadný význam pre funkciu výrobku. Štruktúra povrchu zahrňujúca aj drsnosť bezprostredne ovplyvňuje vlastnosti
a správanie súčiastok v prevádzke, napríklad pevnosť, priebeh opotrebenia, únavové vlastnosti, tuhosť spojenia, kinematické a dynamické väzby povrchov,
životnosť a spoľahlivosť funkcie súčiastok.
[3]. Strojármi je doposiaľ najviac akceptovanou metódou merania štruktúry povrchu metóda dotyková, založená na posúvaní hrotu po povrchu meranej súčiastky.
Kontaktný profilometer má niektoré nedostatky: ostrý hrot snímacej hlavice môže
poškriabať povrch; merané údaje poskytujú
iba lokálnu informáciu o štruktúre a metóda neumožňuje priebežnú kontrolu štruktúry povrchu vyrábaných výrobkov v reálnom čase. Optické metódy sú schopné
eliminovať niektoré nedostatky kontaktných metód. Prednosťami optických metód je bezdotykové meranie, výsledky sa
poskytujú takmer okamžite (v reálnom
čase) a niektoré metódy poskytujú informáciu o celej ploche (speckle field metóda, metóda strihovej-shearing interferometrie). Doposiaľ však nebol vyriešený
problém, že optické charakteristiky drsnosti povrchu nemajú väzbu na charakteristiky získané dotykovým profilometrom. To
znamená väzbu na parametre Ra, Rq, Rm, Rc,
Sm, ∆q, λq…, ktoré sú v strojárstve zaužívané
a akceptované.
Napriek týmto problémom firma
Rodenstock v roku 1979 vyvinula snímač využívajúci rozptyl svetelného zväzku RM 400 a v roku 1985 snímač RM 600,
ktorý bol prvým autofokusačným systémom na svete [4]. Veličina charakterizujúca drsnosť opticky SN bola meraná snímačom Rodenstock RM 400. Toto zariadenie
Obr. 2
definuje a meria veličinu SN v rozmedzí 4
and 100, pre drsnosť povrchu od 5 nm až
2 000 nm. Princíp merania je založený na
rozptyle svetla drsným povrchom..
Neskôr firmy Philips Eindhoven, Feinprüf
Perthen and G. Rodenstock aplikovali dynamický autofokusačný princíp známy
z Compact Disc Technology kombinovaný s klasickým indukčným zaostrovaním
v metrológii drsnosti (Feinprüf Perthen –
focodyn). Táto technika nezanikla a v súčasnosti sa používa v súvislosti s rozvojom
nanotechnológie. Toto potvrdzuje fakt, že
niektoré firmy aplikujú dynamický autofokusačný systém vo svojich zariadeniach
[5], [6]. Takými sú firmy NanoFocus AG,
Duisburg alebo Stil S.A., Provence, France.
rozptyl svetla povrchom
Princíp metódy difúzie (rozptylu) je založený na jave, ktorý spočíva v tom, že úzky
laserový zväzok po dopade na pololesklú
plochu sa odráža ako rozptýlený chumáč
lúčov s maximom v smere, ktorý zodpovedá zákonu odrazu α = α′ obr. 2). Pre
lesklý povrch je rozptyl odrazeného lúča
zanedbateľný a jeho intenzita I(α′) je rovná intenzite dopadajúceho lúča I(α). Prísne
vzaté, ak uvážime, že rozdelenie intenzity
dopadajúceho laserového lúča v priečnom
reze má tvar Gausovej krivky, potom rozdelenie intenzity odrazeného lúča od zrkadlového povrchu bude rovnaké ako dopadajúceho lúča, čo zodpovedá drsnosti povrchu
Ra ≈ 0,025 µm. Rozptýlený zväzok sa rozširuje pri vzrastajúcej drsnosti povrchu a intenzita I(α′) v smere prislúchajúcom uhlu odrazu klesá. Odrazený zväzok je symetricky
rozptýlený pod uhlami ϕ1, ϕ2, ϕi…ϕn, okolo uhla ϕo = 0° (ktorý prináleží uhlu odrazu
α′). Toto platí pre homogénne drsný povrch (obr. 2). Líniový fotodetektor potom
detekuje rozdelenie intenzity I(ϕ) v rovine
kolmej k odrazenému zväzku A′. Pre rôzne
uhly ϕi merané intenzity I(ϕi) majú rôzne
hodnoty. Distribučná krivka I(ϕ) poskytuje spoľahlivú informáciu o štruktúre povrchu s drsnosťou Ra < 0,01 µm [7]. V smere kolmom na smer opracovania povrchu
je rozptyl svetla väčší a krivka rozdelenia intenzity je širšia ako pozdĺž smeru opracovania. V dôsledku toho spätné určenie drsnosti y distribučnej krivky I(ϕ) je nemožné
pre veľkú väčšinu technických plôch opracovaných brúsením, honovaním, sústružením, frézovaním [7]. Pri kolmom dopade
laserového lúča na homogénne drsnú plochu stred krivky rozdelenia je pri ϕo = α′
= 0°. Ak tvarová odchýlka prevyšuje drs–
nosť, stred rozdelenia sa posúva do uhla ϕ
www.engineering.sk \ 11/2010
3/73
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
zákonu odrazu. V dôsledku toho kazy na
lesklom povrchu môžu byť detekované
z poklesu výstupného elektrického signálu
z fotodetektora. Elektrické signály po spracovaní slúžia na meranie drsnosti povrchu
a súčasne aj na kopírovanie tvaru profilu.
Obr. 3
pričom povrch je sklonený o malý uhol αi
i
– = 2.α
(obr. 3). Vlnitosť charakterizuje ϕ
i
i
a lokálnu drsnosť ϕi = 2(δi – αi) [7], kde
δi je uhol lokálnej odchýlky od základnej
roviny.
Ak zavedieme parameter:
p (ϕ ) =
I (ϕi )
+ϕ max
∑ I (ϕi )
(1)
−ϕ max
ukazuje sa, že tvar krivky a amplitúda I(ϕ)
sú pri rozdelení charakterizovanom parametrom p(ϕ) nezávislé na druhu materiálu,
takže pri oceľovom a bronzovom povrchu
pri rovnakej štruktúre drsnosti sa dosiahne
rovnaké rozdelenie [7]. Ako ďalší parameter
bola zavedená hodnota SN, ktorá zodpovedá šírke krivky rozdelenia:
SN = k.∑ (ϕi − ϕ )2 . p(ϕ )
i
Obr. 4
1-Výstupný svetelný zväzok, 2-Teleso modulu
lasera, 3-Rovnobežný svetelný zväzok, 4-Laserový
lúč, 5-Objektová šošovka, 6-Modul lasera,
7-Výstupná šošovka, 8-Fotodetektor
(2)
kde ϕi je známy uhol rozptylu, je ťažisko
rozdelenia intenzity, ktoré sa vypočíta podľa vzťahu (3):
ϕ = ∑ ϕi . p (ϕ )
(3)
p(ϕ) je normálne rozdelenie intenzity, k je
konštanta zvolená tak, aby hodnota SN
mala zmysluplnú hodnotu (napr. pri pravouhlom rozdelení SN = 100). Ako uvádza autor [7], optickú hodnotu SN nemožno považovať ako geometrický parameter
drsnosti, ale môže byť akceptovaný iba vo
vzťahu k hybridným parametrom drsnosti získanými kontaktnými profilometrami.
Takýmito parametrami sú stredný kvadratický sklon profilu ∆q a stredný aritmetický
sklon profilu ∆a, podľa ISO 4287-1, respektíve DIN 4762. Pre vzájomný vzťah optického parametra SN a parametra ∆q platí
približne
SN ≈ ∆q 2 11/2010 \ www.strojarstvo.sk
Obr. 5 a. Mikrofotografia superfinišovaného
povrchu obežnej dráhy dvojradového ložiska
Oscilogram: Elektrický signál zachytáva iba šum.
Snímaný povrch neobsahuje defekty.
Obr. 5b
Oscilogram: Snímaný povrch s mikrodefektmi.
Zaznamenané malé mikrotrhlinky.
Obr. 5c
Oscillgram: Povrch s výraznými defektmi.
Zaznamenané škrabance, ryhy a praskliny.
(4)
Keďže presné hranice tohto zjednodušeného modelu nie sú presne definované, v jednotlivých prípadoch sa musí platnosť vzťahu (4) stanoviť empiricky [7].
Väčšia drsnosť spôsobuje pokles intenzity
odrazeného lúča v smere prislúchajúcom
74/ 4
Snímač na rýchlu kontrolu povrchových
defektov Pri vývoji laserového snímača na rýchlu detekciu povrchových defektov sme použili
princíp osvetlenia v temnom poli používanom v metalurgických mikroskopoch. Ak
svetelný lúč dopadá na vzorku pod veľkým
uhlom, odrazený lúč od zrkadlovo lesklého povrchu kovu nevstupuje do objektívu mikroskopu. Zrkadlovo lesklá plocha sa
pri pozorovaní mikroskopom javí ako temné pole. Len lúče, ktoré sa rozptýlia na defektoch povrchu (praskliny, trhlinky, jamky,
škrabance a drsné časti), vstupujú do objektívu a môžu byť pozorované mikroskopom ako svietiace objekty v temnom poli.
Hlavnou prednosťou osvetlenia v temnom
poli v porovnaní s jasným poľom je lepší kontrast defektov na zrkadlovo lesklom
povrchu. Nami vyvinutý snímač na tomto
princípe detekuje iba rozptýlené odrazené
svetlo a zrkadlovo odrazený laserový lúč je
úplne odblokovaný.
Optický systém snímača pozostáva z polovodičového lasera, dvoch šošoviek a fotodetektora. V najjednoduchšom usporiadaní je laserový modul umiestnený
medzi dvomi šošovkami a predstavuje clonu zabraňujúcu dopadu zrkadlovo odrazeného lúča na fotodetektor. Rovnobežný
laserový lúč je sústredený objektovou šošovkou do jej ohniska. Testovaný povrch
leží v ohniskovej rovine objektovej šošovky
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Obr. 6 Meraci stand firmy Mesing na piestnice tlmičov pre automobily
a nerozptýlený odrazený lúč od zrkadlovo lesklého povrchu a rozptýlená časť sa odrazia do objektovej šošovky. Svetelné lúče zrkadlovo odrazené málo drsným povrchom a rozptýlené sú odtienené telesom laserového modulu a preto nedopadnú na fotodetektor. Naproti tomu
svetlo rozptýlené povrchovými defektmi je vyžiarené pod veľkými priestorovými uhlami a prejdúc cez okrajové časti objektovej šošovky
vytvoria rovnobežný koaxiálny zväzok obtekajúci laserový modul. Druhá – výstupná šošovka skoncentruje svetelný zväzok na fotodetektor umiestnený v ohniskovej rovine výstupnej šošovky. Vzájomná vzdialenosť šošoviek nemá vplyv na svetlo prechádzajúce medzi nimi.
V tomto usporiadaní ohniská oboch šošoviek predstavujú konjugované body.
Keď je povrch hladký a neobsahuje žiadne defekty, odrazený lúč nie je rozptýlený. Výstupný signál zo snímača obsahuje iba šum, šumové
pozadie (obr. 5a). Ak snímaný povrch obsahuje defekty, potom snímač registruje rozptýlené svetlo a výstupný signál obsahuje špičky (píkov) alebo nepravidelný priebeh (obr. 5b, 5c). Ukážka aplikácie – stand na testovanie piestnic tlmičov pre automobily (obr. 6).
Záver
Vyvinutý bezdotykový laserový snímač je schopný vyhľadávať povrchové defekty presných strojárskych súčiastok pri veľkej rýchlosti snímania. V porovnaní s kontaktnými snímačmi má vyvinutý optický snímač vynikajúcu citlivosť umožňujúcu snímanie povrchu s rýchlosťou väčšou ako 10 cm.s-1.
Princíp snímača je chránený patentom Slovenskej republiky No.285659 (od 3. 5. 2007) autorov M. Hain, J. Bartl, J. Kůr, B. Kůr.
Poďakovanie
publikácia vznikla v rámci riešenia vedeckého projektu VEGA č. 2/0201/10 a realizáciou projektu „Vytvorenie CE na výskum a vývoj
konštrukčných kompo­zitných materiálov pre strojárske, stavebné a medicínske aplikácie“, na základe podpory operačného programu
Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Autori ďakujú Slovenskej grantovej agentúre pre vedu VEGA za
finančnú podporu tohto projektu.
Spoluautori: V. JACKO, M. HAIN, R. ŠEVČÍK
LITERATÚRA
[1] VASILKO, K. a kol.: Valivé ložiská. Bratislava, Alfa 1998, s. 547
[2] VRBENSKÁ, J. – REHÁK, J.: Náuka o kovoch. Edičné stredisko SVŠT, Bratislava 1973, s.112
[3] TYKAL, M.: Současné možnosti hodnocení a měření drsnosti povrchu. In: Zborník prednášok na XVI. Zhromaždení KZ SR, Žilina,
Kalibračné združenie SR, apríl 2002, s. 25 – 36
[4] BRODMANN, R., GERSTORFER, O. and THURN, G., ”Optical roughness measuring instrument for fine-machined surfaces,” Opt. Eng.,
24 (3), 410 – 413 (1985).
[5] FAN, K.C., LIN, C.Y. and SHYU, L.H. “The development of a low-cost focusing probe for profile measurement,” Measurement Science
and Technology, 11 (1), N1 – N7 (2000).
[6] LU, R.S. and TIAN, G.Y. “On line measurement of surface roughness by laser scattering,” Measurement Science and Technology, 17,
1496 – 1502 (2006). ISSN 0957-0233
[7] BRODMANN, R.: Optické měření drsnosti povrchu a rozměru v laboratoři a výrobě. Praha, Media Praha & Oweskon Braunschweig
1988, s. 35
www.engineering.sk \ 11/2010
5/75
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Planétový mechanizmus
s viazaným satelitom
Text:
Marián Čóri, SPU – TF, Katedra dopravy a manipulácie, Nitra
V súčasnosti existujú rôzne druhy reduktorov umožňujúcich dosiahnutie veľkých
hodnôt prevodových pomerov. Najčastejšie sú využívané na redukciu otáčok
a násobenie krútiaceho momentu rôzne druhy a kombinácie planétových
prevodov alebo aj harmonické prevodovky.
V
šetky majú svoje výhody aj nevýhody, ktoré sú potom rozhodujúcim faktorom pri výbere
vhodného druhu prevodovky
na istý účel.
Princíp a základná koncepcia mechanizmu
Z kinematiky vieme, že ak tuhé teleso prepojíme so stabilnou podložkou pomocou
štyroch kĺbov a dvoch ramien r tak, že celý
mechanizmus nám bude vytvárať určitý
paralelogram, rýchlosti V (obr. 1) pri pohybe tohto telesa budú v každom jeho bode
rovnaké a v istom okamihu budú ich smery vždy navzájom rovnobežné. Ich rovnobežné smery sa však postupne, ale naraz
budú meniť (otáčať) súčasne s rotujúcim
ramenom r.
Túto skutočnosť je možné využiť aj v planétových prevodoch, a to v čo najrôznejších
variantoch. Najjednoduchšia je konštrukcia
planétového prevodu, ktorého kinematická schéma z bočného pohľadu je znázornená na obr. 2. Jeho základ tvorí jednoduchý satelit, ozubený veniec s vnútorným
ozubením a minimálne dva páry ramien.
Pre ozubenie satelitu platí, že má o jeden
zub menej ako je počet zubov na venci
s vnútorným ozubením. Vstup krútiaceho
Obr. 1 Klasický kĺbový mechanizmus v podobe
paralelogramu
76/ 6
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
momentu bude na strednom unášači s polomerom rotácie r a výstup bude zrealizovaný z ozubeného venca. Okrem hlavného
unášača je však potrebné použiť ešte minimálne jeden, najlepšie však dva, aby sme
zabránili možnej rotácii satelitu okolo vlastnej osi. Týmito tzv. „pomocnými“ unášačmi
sa vytvorí podobný mechanizmus v tvare
paralelogramu aký je na obr. 1. Rozdiel je
však v tom, že namiesto telesa a je použitý
ozubený satelit. Hlavné osi rotácie pomocných unášačov sú pevne viazané s podložkou, resp. so skriňou prevodovky. Takto sa
nám satelit vzhľadom na rám otáčať nemôže, len kolísať okolo neho. Ak privedieme určitú vstupnú uhlovú rýchlosť ω1
do satelitu pomocou stredného unášača,
tak v osi satelitu vzniká iba malá obvodová rýchlosť Vv, nakoľko je aj polomer r veľmi malý a rovná sa polovici modulu ozubenia. Následne nám v celom satelite vznikajú
rovnaké rýchlosti, ktoré majú v istom okamihu v celom satelite rovnaký smer. Čiže aj
v bode A, kde je presne stred záberu satelitu s ozubeným vencom. Tu sa obvodová
rýchlosť prenesie zo satelitu na tento veniec a vo venci vzniká relatívne malá uhlová rýchlosť ωv (malá obvodová rýchlosť na
veľkom polomere otáčania). Na obrázku 2
sú rýchlosti Vv kvôli lepšej viditeľnosti znázornené vo zväčšenom pomere. Záber zubov v mieste A tiež rotuje súhlasne orientovane s unášačmi.
Čo sa týka konštrukcie, tak jednotlivé ozubené členy možno navrhnúť podobne ako
aj u iných planétových prevodov. Možno,
zdanlivo ťažkým, by bol návrh unášačov
s malými polomermi. Je to možné však vyriešiť tým, že sa nepoužijú klasické unášače
ako pri ostaných planétových prevodoch,
ale v podobe excentrov. Satelit má výhodu
v tom, že je dostatočne veľký, možno zabudovať celý excenter aj s valivým uložením
do jeho jadra.
Výhody konštrukcie
Takýto planétový mechanizmus je schopný dosahovať veľmi veľké prevody, porovnateľné s harmonickými. Jeho konštrukcia
a výroba je však jednoduchšia. Nevyžaduje
sa pri nej napr. použitie špeciálnych pružných materiálov, aké je nutné používať pri
harmonických prevodoch. Ďalšou výhodou je aj vnútorný záber ozubení s veľkým
počtom spolu zaberajúcich zubov. Na základe tohto princípu „viazania satelitu“ je
možné skonštruovať okrem reduktorov aj
rôzne iné druhy prevodov, pretože popri
klasických troch pohyblivých členoch jednoduchého planétového prevodu nám
tu pribúda štvrtý. Tým je práve rameno
vzniknuté medzi hlavnými osami bočného
a hlavného unášača. V prípade reduktora
uvedeného na obrázku 2 je však toto rameno „zastavené“, nakoľko tvorí v podstate jeden celok so skriňou prevodovky. Môže byť
ale aj pohyblivé, rotovať okolo hlavnej osi
celého prevodu, čím sa získava práve spomínaný štvrtý pohyblivý člen už aj pri jednoduchom planétovom prevode.
Obr. 2 Kinematická schéma planétového mechanizmu
resumé
Planetary Mechanism with Blocked Planet Gear
There are applied presently many kinds of
reduction gear units, which enable to obtain large
values of speed ratio. In order to reduce speed and
to increase torque there are used most frequently
various types and combinations of planetary
gears or harmonic gear units, too. Each of them
has its own advantages, but also disadvantages
that are then decisive factors for selection of
a suitable kind of gearbox for a certain purpose.
Riadiaci systém
spaľovacích motorov
TEXT/FOTO:
Recenzent:
Róbert Labuda, Emil Toporcer, SjF – Katedra automobilovej techniky, Žilinská univerzita v Žiline
prof. Ing. Pavol Kukuča, PhD., Žilinská univerzita v Žiline
Obrovské možnosti a impulzy priniesol rozvoj elektroniky do zdokonaľovania
jedného z najrozšírenejších pomocníkov človeka dnešných čias – automobilu.
V súčasnosti sme svedkami revolučných zmien v automobile, ktorými sa
výrobcovia snažia zjednodušiť jeho obsluhu a udržiavanie, spríjemniť pobyt
a zvýšiť bezpečnosť obsluhy a cestujúcich, ako aj eliminovať škodlivý vplyv na
životné prostredie.
V
ozidlá sú vybavené citlivými senzormi, ktoré v príslušných častiach automobilu merajú hodnoty potrebné pre riadenie
a optimalizáciu ich činností. Podľa stupňa integrácie činností a vzájomných väzieb medzi základnými prvkami pohonu,
vozidlovými prvkami a riadiacimi obvodmi existujú mnohé modifikácie riadiacich
jednotiek. V podstate sa kvalita dnešných
automobilov posudzuje podľa „množstva“ elektroniky v jeho systémoch. Z hľadiska rozsahu vybavenia elektronikou možno rozlišovať automobily so štandardným
vybavením a automobily s prídavnými prvkami za príplatok. V súčasných automobiloch je štandardom predovšetkým elektronické riadenie motorovej jednotky, ktoré
predstavuje základ a minimum pre takmer
všetky dnes vyrábané automobily. Ide o náhradu klasického analógového ovládania
palivových sústav, ako aj vstrekovacích systémov, programovým riadením použitím
mikroprocesorov, respektíve počítačov.
Použitie digitálnej riadiacej techniky v tomto prípade súvisí so zvyšovaním kvality
procesov prípravy a horenia zmesi, lepším
využitím vlastností pohonov, ale predovšetkým s plnením emisných podmienok,
ktoré sú neustále sprísňované a klasickými spôsobmi riadenia motora prakticky
nedosiahnuteľné.
Spôsoby riadenia
Z hľadiska delenia riadenia treba spomenúť základné princípy, tak ako sú používané v teórii riadenia. Riadenie v otvorenej
slučke – ak sa po riadiacom zásahu nekonfrontuje hodnota výstupnej veličiny sústavy so žiadanou hodnotou – sa nazýva
OVLÁDANIE. Schéma takéhoto systému je
zobrazená na obr. 1. Typický príklad „ovládania“ je realizovaný vo väčšine súčasných
cestných vozidiel s klasickým trojpedálovým systémom, keď obsluha volí jednotlivé hodnoty akčných veličín (poloha akceleračného pedála, prevodový stupeň,..)
náhodne, alebo na základe získaných návykov, respektíve skúseností z určitých jazdných situácií. Výstupná veličina sa pritom
mení podľa zákonitostí daných vlastnosťami (charakteristikami) riadenej sústavy a tiež vplyvom tzv. poruchovej veličiny
(napr. odporov jazdy), ďalej vplyvom zmien
vlastnej riadenej sústavy (napr. účinnosť
motora vplyvom teploty a pod.) s tým, že
výstup nie je kontrolovaný.
Obr.1 Riadenie sústavy v otvorenej slučke
Riadenie v uzavretej slučke – ak je výstupná
sledovaná veličina porovnávaná so vstupnou žiadanou hodnotou a riadiace zásahy
sú vykonávané tak, aby bola táto hodnota
udržiavaná v rámci príslušnej požadovanej
tolerancie – sa nazýva regulácia. Schéma
takéhoto regulačného obvodu so spätnou
väzbou je zobrazená na obr. 2. Ako príklad
možno použiť analógiu z prvého prípadu
riadenia vozidla. Ak vodič začne sledovať
výstupnú veličinu (napríklad rýchlosť vozidla), bude ju udržiavať na konštantnej
hodnote, preberá na seba úlohu regulátora, žiadanou hodnotou bude požadovaná
rýchlosť pre daný úsek vozovky, napríklad
50 km.h-1 (mesto), alebo 130 km.h-1 (diaľnica), výstupná veličina bude údaj z rýchlomera vozidla, poruchovou veličinou môže
byť priebeh odporov (profil, povrch vozovky,...) a regulačnou veličinou je poloha akceleračného pedála. Ak je takéto riadenie vykonávané samočinne, nejakým zariadením
(v súčasných systémoch výhradne elektronickým zariadením), ide o automatickú reguláciu rýchlosti vozidla (z cestných vozidiel známa ako tempomat). Zo súčasných
motorov možno uviesť ukážky takéhoto
usporiadania napríklad:
Obr. 2 Bloková schéma riadiaceho obvodu
sústavy v uzavretej slučke
– odstredivý regulátor otáčok vznetového
motora (obmedzovací, výkonnostný),
– λ regulácia zážihových motorov,
– regulácia voľnobežných otáčok zážihových a vznetových motorov a iné.
resumé
Control System of Combustion Engines
This paper describes principles and classification of motor-management, comparison
of the electronic management of piston combustion engines and vehicles with the classic analogue control, further the function of
a computer in control process of a such dynamic system like the motorcar is and description of functioning of the control system
parts at the fuel ration determination.
(Dokončenie na www.strojárstvo.sk alebo si celý príspevok môžete prečítať v elektronickej verzii mesačníka Strojárstvo/Strojírenství č. 11/2010)
www.engineering.sk \ 11/2010
7/77
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Riadiaci systém s využitím mikropočítačovej
techniky
V klasických systémoch bolo riadenie procesov pomocou analógovej techniky, kde
využitím prevodníkov, zosilňovačov, prenosových, derivačných, integračných členov
a logických prvkov sa tvorili riadiace funkcie a obvody na najrôznejšom stupni automatizácie. Z hľadiska teórie a popisu procesov ide o systémy spojité, teda signály
sa menia spojito, a to platí ako pre riadenú sústavu, tak aj pre riadiaci systém. V súčasných systémoch sa v poslednom štvrťstoročí presadila digitálna technika, a teda
došlo k významnej zmene z hľadiska skladby riadiacich systémov, keď veličiny a signály v riadenej sústave sa menia spojito a číslicový riadiaci systém pracuje pretržito, a to
v čase aj úrovni. Spôsob riadenia pomocou
digitálnej techniky z hľadiska realizácie je
teda zložitejší. Na vstupe do riadiaceho systému musí dôjsť k transformácii spojitého
signálu na diskrétny a na výstupe naopak.
Použitie výpočtového prostriedku je sprevádzané rozdelením regulačného procesu
na tri etapy, a to:
1. snímanie prevádzkových a žiadaných
hodnôt,
2. spracovanie riadiaceho signálu, 3. vykonanie riadiaceho zásahu.
Tento proces prebieha v presne stanovenom rámci z hľadiska času a amplitúd jednotlivých signálov v tzv. algoritme.
Algoritmus je presne stanovená postupnosť logických, rozhodovacích, výpočtových a korekčných krokov, ktoré vedú
k určeniu výstupných riadiacich veličín.
Algoritmus musí rešpektovať dynamické
vlastnosti riadenej sústavy, čo je zohľadnené predovšetkým tzv. vzorkovacím časom.
Je to doba medzi dvoma po sebe nasledujúcimi algoritmami. V spaľovacích motoroch ide o rýchle deje, kde sú jednotlivé signály potrebné pre priame riadenie snímané
s frekvenciou rádovo v mili- až mikro- sekundách. V súlade s frekvenciou merania
signálov musí byť aj frekvencia vykonávania zásahov výkonovými členmi príslušných výstupných veličín. Keďže ide o riadenie v reálnom čase, musí byť vykonanie
a doznievanie riadiaceho zásahu v čase
kratšom, než je interval medzi dvoma po
sebe idúcimi algoritmami. V opačnom prípade musí dôjsť k pozastaveniu vykonávania nasledujúceho algoritmu. Tento stav
nastane, keď výkonový člen ešte nevykonal a neodznel predchádzajúci pokyn a riadiacim algoritmom je od neho požadovaná ďalšia akcia. Naproti tomu požiadavky
na snímanie a vybavovanie veličín, ktoré sa
78/ 8
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
využívajú v riadení ako korekčné (napr. teploty motora, vzduchu, paliva,...), sú nižšie
a tieto veličiny môžu byť vzorkované v dlhších časových intervaloch, pretože neslúžia
na bezprostredné riadenie dynamiky danej
sústavy.
V automobilových motoroch je záťaž vyhodnocovaná od snímača polohy akceleračného pedála, najčastejšie od snímača
množstva nasávaného vzduchu a pod.
Počítač v úlohe riadiaceho člena
Počítač v riadení spaľovacieho motora preberá funkciu aj niekoľkých riadiacich obvodov, ktoré boli v klasických systémoch realizované ako autonómne, či už v otvorenej,
alebo v uzavretej riadiacej slučke. Taktiež
prináša možnosť koordinácie a optimalizácie spolupráce celého hnacieho ústrojenstva na kvalitatívne vyššej úrovni, vrátane
spôsobu komunikácie systému s obsluhou.
Na obrázku 3 sú naznačené prepojenia riadiaceho počítača nie len na spaľovací motor, ale aj na ostatné systémy vozidla (prevodovka, trakčné systémy, obsluha), ktoré
môžu byť realizované na rôznom stupni
automatizácie (ako troj až jedno-pedálový systém ovládania). Naznačené prepojenia pritom treba brať ako principiálne,
praktická realizácia môže nadobúdať rôzne podoby. Schéma riadenia reálneho vozidla je podstatne členitejšia, riadenie vozidla je realizované spravidla väčším počtom
riadiacich jednotiek (RJ), ktoré obsluhujú
jednotlivé systémy buď autonómne (prvky pasívnej bezpečnosti, telekomunikačná a audio technika a pod.), alebo je prepojených viacero samostatných systémov
prostredníctvom centrálnej riadiacej jednotky, respektíve počítača (napríklad prepojenie RJ systému ABS s RJ spaľovacieho
motora, stabilizačného systému a pod.). Je
to dané technológiou výroby (jeden výrobca ABS pre mnohé automobilky), montážou, diagnostikou, údržbou a opravami, ako
aj spomínanými nutnými funkčnými prepojeniami medzi dôležitými prvkami hnacieho agregátu a pojazdového ústrojenstva
vozidla. Riadiaci systém je zložitý organizmus, kde musí byť jednoznačne dodržaná
hierarchia z hľadiska dôležitosti (bezpečnosť, spoľahlivosť, ekológia, komfort) ako
aj vo väzbe na obsluhu (vozidlo musí byť
ľahko ovládateľné a musí prioritne plniť požiadavky obsluhy, napríklad z hľadiska dynamiky jazdy a pod.). Zároveň z hľadiska
výrobcu musí byť systém riadenia prehľadný, unifikovaný, variabilný a ekonomicky výhodný. Jednotlivé riadiace programy môžu
mať rôznu štruktúru a filozofiu, ale líšia sa
aj v používaných snímaných signáloch.
Napríklad, záťaž v mobilnom stroji možno
odvodiť od tlaku v hydraulickom systéme
pohonu, respektíve pracovnej nadstavby.
Obr. 3 Principiálna schéma elektronicky riadeného vozidla
Činnosť riadenia
Ako pracuje riadiaci systém spaľovacieho
motora, respektíve vozidla s počítačovou
podporou? Základom riadiaceho systému
sú technické prostriedky a programové
vybavenie. Nasledujúci popis je venovaný
princípom a filozofii riadenia. Programové
vybavenie možno obecne rozdeliť na dve
časti:
– modely jednotlivých komponentov,
respektíve procesov ako funkčné závislosti, najbežnejšie vo forme súborov dát, známe z publikácií ako „dátové mapy“. Sú to
vlastne statické modely získané na základe experimentov, výhradne na špeciálnych
skúšobných stavoch, pri jednoznačne stanovených prevádzkových podmienkach.
Ako príklad možno uviesť pole charakteristík lambda na obr. 4. Je to závislosť veľkosti dávky paliva (dávkovanie paliva vyjadrené dobou otvorenia vstrekovacieho
ventila) spaľovacieho motora na zaťažení
a otáčkach pri dodržaní koeficientu prebytku vzduchu λ = 1, a ostatných podmienok,
platných pre meranie v ustálených režimoch. Na základe takejto charakteristiky
môže riadiaci systém pracovať bez λ regulácie, t. j. v otvorenej riadiacej slučke a prisudzovať dávku paliva na základe okamžitého prevádzkového stavu z dátovej mapy.
Pri takejto koncepcii riadenia motora sú pre
každý typ stanovené špecifické doby vstreku, ktoré pri každom prevádzkovom stave
(voľnobeh, čiastočné zaťaženie, maximálne
zaťaženie...) zabezpečujú ideálnu (stechiometrickú) zmes vzduchu s palivom. Takéto
pole pracovných bodov platí pre normálnu
prevádzku a bežný teplotný rozsah motora.
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Pri odchýlkach prevádzkových veličín, prípadne pri špeciálnych režimoch (rozbeh,
brzdenie,...) je potrebné vykonať korektúry
v dobách vstreku, čo je zabezpečené v riadiacom algoritme v osobitných blokoch.
Tieto korekcie sú naviac riešené osobitne
pre režimy „štartovanie“, „po štarte“, „prechodová kompenzácia pri zmenách záťaže“, „dynamická korekcia“ dávky závislá na
teplote motora a teplote nasávaného vzduchu, „prechodová kompenzácia“ pri akcelerácii a decelerácii, atď. Všetky tieto korekcie
sú uložené v pamätiach riadiacej jednotky, či už vo forme poľa charakteristík, alebo
jednoduchých 2D závislostiach. Na obr. 5
je zobrazené pole charakteristík korekčného faktora, ktorým sa upravuje vstrekovaná
dávka v závislosti na veľkosti palivového filmu v potrubí (v systéme s jednobodovým
vstrekovaním).
Pre väčšinu súčasných zážihových spaľovacích motorov sa však na udržiavanie stechiometrickej zmesi používa λ regulácia, teda
riadenie v uzavretej riadiacej slučke, ktoré
dokáže precíznejšie plniť podmienku λ = 1.
– riadiaci program (algoritmus), je predpísaný postup jednotlivých operácií riadenia. Systém, ktorý na základe posnímaných
okamžitých údajov o motore, respektíve
o vozidle rozpozná konkrétny režim a určí
z „dátových máp“, respektíve výpočtom
Obr. 4 Pole charakteristík lambda pre určovanie
dávky paliva [3]
Obr. 5 Pole charakteristík na kompenzáciu
veľkosti palivového filmu [3]
a ich korigovaním príslušné riadiace veličiny, ktoré sú potom vysielané na koncové
výkonové členy, kde sa vykonávajú zásahy
na riadenom spaľovacom motore, respektíve vozidle. Koncepcia programu je spravidla postavená na hlavnom programe, ktorý tvorí základný rámec riadenia procesu
z hľadiska času (takt algoritmu) a zabezpečuje koordináciu činnosti jednotlivých
podprogramov a komunikáciu so vstupnovýstupnými jednotkami.
V rámci takto koncipovanej základnej schémy riadiaceho programu je riešený celý rad
prídavných funkcií, predovšetkým na zníženie emisií a spotreby, ale aj požiadavky
od obsluhy z hľadiska komfortu (tempomat, ekonomická jazda a pod.), prepojenie
s trakčnými funkciami vozidla (protišmykový, stabilizačný systém, a pod.). Podľa zvoleného módu sa v danom riadiacom systéme účelne menia aj funkcie jednotlivých
premenných (štruktúra systému). Spôsob,
ako realizovať jednotlivé funkcie, je skrytý
v konkrétnom programe, ktorý sa môže riešiť rôznymi postupmi.
Na obr. 6 je názorná ukážka činnosti riadiaceho systému spaľovacieho motora, a to
jednej riadiacej slučky – dávkovanie paliva
v zredukovanej forme (vstupných údajov
môžu byť aj desiatky), pre jednoduchosť
výkladu. Riadiaca jednotka je jednoúčelový počítač, ktorého softvér obsahuje riadiaci program, zahŕňajúci v sebe všetky väzby naznačené na obr. 3 a hardvér rozšírený
o vstupný a výstupný blok. V prípade určovania dávky paliva je postupnosť daná
algoritmom pre určovanie dávky. V presne stanovenom časovom kroku sa opakuje realizácia tohto algoritmu. Tento časový krok je odvodený od dynamických
vlastností riadeného spaľovacieho motora. Tieto vlastnosti sa zisťujú štandardným
meraním tzv. prechodových charakteristík,
t. j. priebeh uhlovej rýchlosti a jej ustálenia
v časovej charakteristike, pri jednotkovom
skoku dávky paliva, respektíve zaťaženia.
Keďže ide o riadenie v reálnom čase, aj
opakovanie algoritmu musí byť v súlade so
spomínaným časovým krokom (vzorkovacou frekvenciou). V reálnej činnosti riadiaceho algoritmu to znamená, že nasledujúce spustenie algoritmu sa môže realizovať
až po vykonaní a doznení predchádzajúceho zásahu na výstupnom výkonovom prvku, v tomto prípade vstreku určenej dávky
paliva. Ako riadiaci systém určí tzv. efektívnu dávku paliva? Na základe posnímaných
okamžitých hodnôt zaťaženia (v tejto schéme je dané polohou akceleračného pedála)
a otáčok, program z dátovej mapy vyhľadá
tzv. základnú dávku označenú symbolom
dz – doba trvania vstreku. Táto hodnota
je v ďalšom postupe algoritmu korigovaná
podľa viacerých kritérií a okamžitých prevádzkových podmienok spaľovacieho motora, ale aj vozidla a na konci vyústi do vyhodnotenia efektívnej dávky de, číslo ktoré
predstavuje skutočný čas otvorenia, respektíve v niektorých systémoch zatvorenia,
dávkovacieho ventila vstrekovača. V schéme na obr. 6 je naznačená iba korekcia na
teplotu motora. V skutočnosti je základná
dávka korigovaná ďalšími koeficientmi, napríklad od nadmorskej výšky, napätia batérie, rýchlosti stláčania akceleračného
pedála, signálu λ sondy, teplôt paliva, nasávaného vzduchu a pod. Ale ani efektívna dávka nemusí byť vždy finálnou hodnotou, dávka môže byť upravovaná inými
nadradenými systémami, ako sú trakčné a bezpečnostné systémy vozidla, ale aj
ochranné systémy samotného spaľovacieho motora. Ak dôjde k prekročeniu, alebo
podkročeniu niektorých, pre chod a životnosť motora dôležitých hodnôt, napríklad
k prekročeniu dovoleného plniaceho tlaku turbodúchadla, ktoré spôsobuje tepelné preťaženie motora, sa aktivuje ochranný
mechanizmus riadenia. V takomto prípade
riadenie motora zníži efektívnu dávku paliva, napríklad o 20 %, bez ohľadu na činnosť
obsluhy, t. j. stláčanie akceleračného pedála.
Podobné zásahy do hodnoty dávky môže
vykonať protišmykový systém pohonu vozidla, stabilizačný systém, prípadne porucha vozidla, pri ktorej sa vyžaduje len bezpečný dojazd do servisu a pod. Analogicky
je určovaná aj hodnota predstihu vstreku,
respektíve predstihu zapaľovania. Na obr. 6
je naznačená časť takéhoto „podprogramu“, ktorý má podobnú stavbu a východiská, ako podprogram pre určovanie veľkosti dávky.
Záver
Problematika elektronického riadenia vozidla je taká rozsiahla, že nie je možné plnohodnotne popísať všetky systémy a súvislosti medzi nimi. Úlohou príspevku je
objasniť princíp, spôsoby a filozofiu riadenia na príklade jednej riadiacej slučky.
Ako vyplýva z popisu problematiky, riadenie sa môže realizovať dvoma spôsobmi,
jednoduchšia forma – v otvorenej riadiacej
slučke, alebo komplikovanejšia možnosť –
v uzavretej regulačnej slučke.
Prvý spôsob je z hľadiska technickej realizácie, spoľahlivosti, diagnostikovania
a s tým súvisiacou údržbou, servisom, opravami, ako aj nákladmi v časti technických
www.engineering.sk \ 11/2010
9/79
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
prostriedkov pre výrobcov výhodnejší.
Keďže tento spôsob riadenia je založený na
čerpaní informácií z dátových máp, kladie
vysoké nároky vo výskumnej činnosti na
realizáciu rozsiahlych experimentov, zber
a spracovanie dát do 3D modelov.
Na druhej strane, riadenie v uzavretej slučke umožňuje vyššiu kvalitu riadiaceho procesu pri plnení kritérií v oblasti emisií, spotreby, atď., ale za vyššie investície v oblasti
hard­véru aj softvéru. Okrem už spomínaných prípadov regulácií sa v motoroch
vyskytuje napr. regulácia plniaceho tlaku,
klopania motora, vo vozidle sú to protiblokovací systém ABS, protišmyková regulácia
ASR, elektronický stabilizačný systém ESP
a pod.
V praxi výrobcovia v maximálnej miere
využívajú jednoduchší spôsob riadenia –
v otvorenej slučke, pokiaľ je to možné, teda
pokiaľ sa požadované výsledky týmto spôsobom dajú dosiahnuť. Regulačné obvody sú realizované tam, kde sú nevyhnutné a kde nie je možné dosiahnuť ciele iným
spôsobom.
LITERATÚRA
[1]Kubík, S., Kotek, Z., Šalamon, M.: Teorie
regulace, I. Lineárni regulace, SNTL –
Nakladatelství technické literatury,
Nakladateľstvo Alfa, Praha 1968.
[2]Labuda, R., Hlavňa, V., Isteník, R.: Poznámky
k vývoju a tvorbe riadiacich systémov moderných automobilov, zborník 7. Medzinárodnej
vedeckej konferencie Transfer 2005, Trenčín
20. – 21. september 2005, str. 339 – 344,
ISBN 80-8075-070-X.
[3]Fa Bosch: Technická príručka, Systém
řízení motorů.
80/10
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
Obr. 6 Schéma činnosti časti riadiaceho programu spaľovacieho motora
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Membránový ventil
spaľovacieho motora
TEXT/FOTO:
Ing.Roman Kux, Ing. Michal Puškár, PhD., Strojnícka fakulta TU v Košiciach
U veľkej časti jednostopových dopravných prostriedkov sa ako pohonná
jednotka využíva dvojtaktný benzínový spaľovací motor pre svoje viaceré
výhody. Medzi najväčšie patria v prvom rade menší počet súčiastok a tým
jednoduchosť motora, nižšia hmotnosť a jednoduchšia údržba.
D
vojtaktný motor má taktiež
predpoklady k vyššiemu mernému výkonu, t. j. výkonu z jedného litra objemu valca, ktorý by
mal byť teoreticky dvojnásobný v porovnaní so štvortaktným motorom.
Princíp membránového ventila
Článok sa zaoberá porovnaním dvoch typov membránových ventilov, a to klasickým
membránovým ventilom a novým typom
ventilov označovaných ako VForce3. Rozdiely
medzi „starým a novým“ typom ventilov je
zjavný už pri letmom pohľade. Klasický ventil
je znázornený na obr. 1 a má tvar trojstenného hranola. Ventil typu VForce3 je na obr. 2
a pripomína dva bežné ventily spojené do
jedného kompaktného celku.
Čo sa týka sacej membrány, u ventilu typu
VForce3 je dvojnásobne viac prieduchov než
u bežného membránového ventilu. Veľkou
výhodou dvojnásobného počtu prieduchov
je, že stačí, aby každý jednotlivý prieduch
bol otvorený len na polovicu času, ktorý potrebuje bežný ventil na nasatie dávky čerstvej zmesi. Vzhľadom na to, že prieduchy sa
otvárajú a zatvárajú 133-krát za sekundu treba uviesť, že menší počet pohybov znamená
menšie opotrebenie membránového ventilu.
Okrem toho u VForce3 sú sacie membránové bloky riešené stavebnicovou konštrukciou
(dizajn), ktorá umožňuje každému bloku, aby
vykonával prácu nezávisle na ostatných častiach. VForce3 využíva symetrické usmerňovacie plátky, čo znamená, že jeden plátok
je pre všetky miesta na jednej strane klietky a preto (nie je potrebné sa obávať dlhých
a krátkych pohybov usmerňovacích plátkov).
Okrem toho, VForce3 je zložený bez použitia
skrutiek. Membránová klietka je u ventilov
VForce3 vytvarovaná z kompozitnej živice.
Pri výrobe je vytvorený zakrivený tvar profilu
pre dýzy, ktorý zvyšuje rýchlosť paliva pri nasávaní zmesi. Klietka bežného membránového ventilu je vyrábaná z ľahkej zliatiny.
Pri použití ventilu VForce3 by malo podľa
výrobcu dôjsť k zvýšeniu výkonu pri nižších
až stredných otáčkach, čo umožňuje jazdcovi skôr dosiahnuť vrchol každého prevodového stupňa. Taktiež to znamená vyšší
celkový výkon motora. Chod motora je čistejší, zrýchlenie motora je silnejšie a ostáva
viac sily pre stredný úsek akcelerácie.
Určenie vplyvu membránového ventilu na
výkonovú charakteristiku
Teoreticky dokázať prínos membránového
ventila na výkonovú charakteristiku u dvojtaktného benzínového motora je náročné.
Aj keď existujú softvéry na modelovanie
procesov, ktoré prebiehajú vo vnútri valca a výfukového systému pri spaľovacom
procese, je ťažké dosiahnuť reálne výsledky. Preto bol použitý experiment.
Ako experimentálny model bol využitý
dvojtaktný motor firmy ROTAX.
Meranie bolo vykonané na dvoch typoch
ventilov. Typ A je bežný membránový
ventil obr. 1, a typ B je membránový ventil VForce3 obr. 2. Cieľom merania bolo
stanoviť, ktorý ventil umožní lepšie využitie výkonového potenciálu tohto dvojtaktného spaľovacieho motora. Teda, aký
bude rozdiel vo výstupných parametroch
motora pri použití jednotlivých ventilov
pri konkrétnych otáčkach motora. Ako
meracie zariadenie bola použitá výkonová motorová brzda, ktorá nám umožňuje merať výstupné charakteristiky tohto
motora.
Boli vykonané viaceré merania, pri rôznych
atmosférických podmienkach, aby sa vylúčil vplyv tohto faktora a aby sa zabránilo prípadnej náhodnej chybe spôsobenej
vonkajšími vplyvmi.
Na obr. 3 je graficky znázornená nameraná závislosť výkonu od otáčok motora pri
použití jednotlivých variantov membránových ventilov. Tento graf zároveň umožňuje porovnanie jednotlivých meraní.
Záver
Analýzou výsledkov meraní bolo možné
dospieť k záveru, že membránový ventil
typu VForce3 nám výkon motora rapídne
nezvýši, avšak má zásadný vplyv na výstupné otáčky motora. Ako je viditeľné na obr. 3,
otáčky motora stúpli z cca 12 200 ot./min.
na hodnotu 12 700 ot./min., tz. že pri rovnakom výkone motor dáva o 500 otáčok viac.
Problematika zvyšovania výkonových parametrov jednostopových dopravných prostriedkov pri
zachovaní ich spoľahlivosti a životnosti je v súčasnosti riešená v rámci projektu VEGA 1/0146/08
Materiálové toky a logistika, inovačné procesy
v konštrukcii manipulačných a dopravných zariadení ako aktívnych logistických prvkov s cieľom zvyšovania ich spoľahlivosti.
Obr. 1
Obr. 2
Obr. 3
resumé
Impact of Membrane Valve on Engine
Power
This article analyses theoretically and experimentally contribution of membrane valves
to the engine power. The analysis is concerning two types of the membrane valves, namely a common kind of valve and valve of the
type VForce3. According to the obtained results it can be stated that the membrane
valve VForce3 didn’t have a significant impact on the engine power, however it caused
increasing of the engine speed approx. about
500 rev./min.
www.engineering.sk \ 11/2010
11/81
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Manažment rizík
– dôležitá súčasť riadenia
TEXT:
Ing. Peter Malega, PhD., SjF, Katedra manažmentu a ekonomiky, TU Košice
Prof. Ing. Michal Cehlár, PhD., Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológie, Ústav riadenia a manažmentu, TU v Košiciach
Recenzent:
Podnikanie každého subjektu sa uskutočňuje v premenlivom trhovom prostredí, ktoré je charakterizované značnou mierou
neurčitosti. Neurčitosť vyplýva z neznalosti potrebných informácií (napr. o zámeroch konkurenčných subjektov) a tiež z toho,
že určité informácie ani nemožno získať (napr. insider informácie), resp. ich nemožno získať s potrebnou istotou (napr. vývoj
požiadaviek zákazníkov, vývoj na trhu).
V
takomto dynamickom hyperkonkurečnom prostredí tak
ani nie je možné robiť optimálne rozhodnutia, lebo tie
sú viazané na vstupné informácie a tie nie sú k dispozícii
vôbec, alebo sú iba strohé, a teda nepostačujúce. Tak sa
problém optimálneho rozhodovania na základe potrebných informácií mení na problém odhadu budúcej situácie. To zavádza do rozhodovania prvok rizika. [9]
Manažment rizika a jeho prvky
Pod rizikom rozumieme potenciálne ohrozenie vyplývajúce z toho,
že vstupné informácie v procese rozhodovania neodrážajú skutočný stav vecí. Manažment podniku však musí rozhodovať aj pri nedostatku informácií. To znamená, že rozhodnutia môžu byť potenciálne nesprávne s možným rizikom (t. j. dopadom na úspešnosť
podniku).
Manažment rizika (risk management) je logická a systematická metóda
určovania súvislostí v akýchkoľvek činnostiach, funkciách alebo procesoch, identifikovania rizík, ich analýzy, hodnotenia, znižovania a priebežného monitorovania, ktorá umožňuje minimalizovať straty a maximalizovať príležitosti. Proces manažmentu rizika je možné uplatňovať
v činnosti celého radu inštitúcií, manažérskych tímov, právnických, ale
aj fyzických osôb.
Manažment rizika predstavuje kultúru, procesy a štruktúry zamerané na efektívne riadenie potenciálnych príležitostí a možných neželateľných dôsledkov. Je to interaktívny proces skladajúci sa z krokov, ktoré pri zachovaní plánovanej postupnosti umožňujú trvalé
skvalitňovanie rozhodnutí a tým následne aj zlepšovanie výsledkov uskutočňovaných procesov. Manažment rizika musí byť integrálnou činnosťou každej manažérskej praxe, bez ohľadu na úroveň
riadenia (od strategickej až po prevádzkovú).
Manažment rizík je súčasť manažmentu daného riadiaceho subjektu, zameraná na zaistenie bezpečnosti alebo stability riadeného systému, analýzu rizík, hľadanie preventívnych opatrení na minimalizáciu vplyvov rizikových javov a ich prerastanie do ohrození, resp.
do potenciálnej krízy. V hospodárskej praxi sa pre manažment rizík
definujú 4 základné fázy:
1. identifikácia rizík a stanovenie ich významnosti,
2. stanovenie veľkosti rizika a jeho hodnotenie,
3. príprava a voľba, realizácia opatrení na zníženie rizika,
4. operatívne riadenie rizika. [8]
Obsah schémy manažérstva bezpečnostných rizík je vyjadrený na
obr. 1 [4]:
Obr. 1 Manažment rizika [5]
Hodnotenie rizík je proces posudzovania rizík pre zdravie a bezpečnosť zamestnancov, ktoré vyplývajú z nebezpečenstiev na
pracovisku.
Ide o systematické preskúmanie všetkých aspektov práce, konkrétne toho:
– čo by mohlo spôsobiť zranenie alebo ujmu,
– či je možné nebezpečenstvo odstrániť a ak to nie je možné, aké
preventívne, alebo ochranné opatrenia sa na pracovisku prijali
(alebo ich treba prijať), s cieľom kontrolovať riziká.
Posudzovanie rizika je systematická postupnosť krokov (ako aj postup pri ich vykonávaní) na určenie a vyhodnotenie faktorov práce
a pracovného prostredia z hľadiska vplyvu na bezpečnosť a zdravie
zamestnanca. Posudzovanie rizika zahŕňa identifikáciu nebezpečenstiev a ohrození, určenie veľkosti ohrozenia (ohodnotenie rizika) a posúdenie akceptovateľnosti rizika (úrovne bezpečnosti). [7]
Identifikácia a hodnotenie rizík vo vybranej spoločnosti
Proces identifikácie a hodnotenia rizík vo vybranej spoločnosti stanovuje základné zásady, postupy a zodpovednosti pre zabezpečenie činností súvisiacich s realizáciou hodnotenia rizík a vedením zoznamu rizikových procesov, činností, postupov a pracovných priestorov. [5]
resumé
Risk management – the important part of modern business
management
Risk Management is a key business process within both the private and
public sectors around the world. Recent economic volatility has given risk
management a new focus and eminence. The strongest companies are the ones
that are able and willing to adapt, who actively integrate risk management as
a critical factor at all levels of management process from strategy to success.
(Dokončenie na www.strojárstvo.sk alebo si celý príspevok môžete prečítať v elektronickej verzii mesačníka Strojárstvo/Strojírenství č. 11/2010)
82/12
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Hodnotenie rizík slúži spoločnosti na získanie informácií o výskyte
rizika a je ďalej využívané hlavne ako súčasť školenia „Bezpečnosť
a ochrana zdravia pri práci“ (ďalej len BOZP) pre nových zamestnancov nastupujúcich do zamestnania, alebo pri preradení na iný
druh práce pri zmene pracovných podmienok.
Spoločnosť musí prijímaním opatrení na zistené riziká neustále
znižovať ich pôsobenie, a tým vytvárať pre pracovníkov istotu, že
BOZP je prvoradým záujmom vedenia spoločnosti.
Model identifikácie a hodnotenia rizík vo vybranej spoločnosti je
na obr. 2.
Pri posudzovaní rizík je dôležité rozpoznať, čo môže spôsobiť
úraz, ako môže k úrazu dôjsť, kto môže byť ohrozený, kde môže
dôjsť k ohrozeniu. Následne je potrebné vykonať zodpovedajúce
opatrenia.
Na hodnotenie sú vo vybranej spoločnosti použité jednoduché
postupy posudzovania rizík vhodné pri preverovaní, či nie sú ľudia na pracovisku ohrození strojmi, látkami, prostredím, pracovnými činnosťami a pod. Hodnotenie je vykonané so zreteľom na všetky okolnosti týkajúce sa práce, aby pracovisko, stroje, zariadenie,
náradie, nástroje, materiály, pracovné pomôcky, pracovné postupy,
usporiadanie pracovných miest a organizácia práce neohrozovali
bezpečnosť a zdravie pri práci. Do úvahy sa berú nielen bežné pracovné aktivity, ale aj vedľajšie a občasné, ako aj všetci zamestnanci
a ostatné osoby, ktoré môžu byť vystavené riziku. [1]
Metóda hodnotenia rizík vo vybranej spoločnosti
Metódu hodnotenia rizík spoločnosť využíva na to, aby zistila, či je potrebné riziko ešte znížiť, alebo či sa bezpečnosť už dosiahla. Ak ho treba znížiť, vyberú sa bezpečnostné opatrenia a postup sa opakuje. Ak
sa prijmú nové opatrenia, konštruktér musí skontrolovať, či nevznikne ďalšie nebezpečenstvo vzniku nových ohrození. Pri vzniku ďalších
ohrození musia sa následne doplniť do zoznamu ohrození. [6]
Pre výpočet miery rizika si vybraná spoločnosť zvolila metódu bodového hodnotenia, pretože je to najčastejšie používaná metóda
na stanovenie pravdepodobnosti a dôsledku nežiaducich udalostí.
Riziká sú vyhodnocované s ohľadom na pravdepodobnosť vzniku
rizika, expozície rizika a následkov rizika. Matematické vyjadrenie rizika je nasledovné [6]:
R=PxExN
kde: R – miera rizika, P – pravdepodobnosť, E – expozícia, N – následky
Obr. 2 Model identifikácie a hodnotenia rizík vo vybranej spoločnosti [5]
Posudzovanie rizík vo vybranej spoločnosti
Posudzovanie rizík je systematické preverenie toho, čo môže ľuďom
ublížiť, alebo spôsobiť nežiaducu udalosť a zváženie, či sú súčasné
bezpečnostné opatrenia dostatočné. Posudzovanie rizík je filozofiou spoločnosti, prístupom, ktorý je potrebné zaviesť, aby všetci
zamestnanci boli zainteresovaní na odhaľovaní toho, čo môže spôsobiť nežiaducu udalosť.
Základným cieľom vybranej spoločnosti pri posudzovaní rizík je
ochrana zdravia a bezpečnosti zamestnancov pri práci. Snahou posudzovania rizík je minimalizovať možné poškodenie zamestnancov alebo životného prostredia zavineného pracovnou činnosťou.
Pomáha tiež udržať konkurencieschopnosť a efektívny výkon podnikania. Podľa zákona o BOZP majú všetci zamestnanci právo aktívne sa podieľať na pravidelnom posudzovaní rizík pri práci.
Príprava na posudzovania rizík zahŕňa vo vybranej spoločnosti nasledovné kroky:
– zostavenie plánu a stratégie posudzovania rizík,
– zabezpečenie potrebných podkladov a informácií pre posudzovanie rizík,
– zainteresovanie pracovníkov do realizácie výsledkov posudzovania a riadenia rizík,
– zavedenie výsledkov posudzovania rizík do organizácie práce
a vzdelávania pracovníkov,
– zabezpečenie systematického opakovania posudzovania rizika.
Pre posúdenie a vyhodnotenie rizík sa príslušné číselné vyjadrenia zaznamenávajú do tabuľky pre vyhodnotenie jednotlivých rizík
a zároveň sa vykoná vyhodnotenie rizika, teda jednoduché vynásobenie hodnôt jednotlivých kritérií.
Na základe výsledkov hodnotenia vedenie vybranej spoločnosti
rozhodne, aké treba vykonať opatrenia na zníženie, alebo odstránenie rizika a aké informácie sa majú poskytnúť zamestnancom.
Ako akceptovateľné sa chápe riziko, ktoré zainteresované osoby
pri zohľadnení všetkých prevádzkových a humánnych podmienok
budú ochotné znášať. Ak hodnotíme bezpečnosť systému, to znamená, že riziká sú menšie, ako je akceptovateľné riziko.
Ak sa pri posudzovaní bezpečnosti systému ukázalo, že riziko má
vyššiu hodnotu, ako je akceptovateľné riziko, alebo k takému záveru došli posudzovatelia kvalifikovaným odhadom, sú navrhnuté
opatrenia na zníženie rizika, alebo jeho úplné odstránenie.
Ak existuje v posudzovanom systéme nebezpečenstvo, ktoré vyvoláva ohrozenie s vyšším rizikom, ako je akceptovateľné, treba predpokladať, že skôr, či neskôr spôsobí zranenie alebo škodu, ak nebudú prijaté žiadne bezpečnostné opatrenia. Na zníženie rizika je
potrebné starostlivo a odborne stanoviť bezpečnostné opatrenia.
Záver
Vo všeobecnosti sa riziko ešte stále považuje za predzvesť problému, ktorý vo väčšej alebo menšej miere negatívne ovplyvní splnenie strategických cieľov daného podniku. Pravdou však je, že riziká
môžu byť predzvesťou aj pozitívnych aj negatívnych udalostí. Z dôvodu znižovania dopadov negatívnych udalostí a zvyšovaním dopadov pozitívnych udalostí, je potrebné riziká identifikovať, analyzovať, plánovať, monitorovať a kontrolovať.
www.engineering.sk \ 11/2010
13/83
S T R O J E   a   T E C H N O L Ó G I E
Súčasná globalizácia trhov, dynamicky meniace sa trhové prostredie s krátkym časom vymedzeným na rozhodovanie a špecifické požiadavky zákazníkov stavajú
riziko do pozície rozhodujúcich faktorov
determinujúcich úspešnosť podnikov. [3]
Manažment rizika je nepochybne
dôležitou časťou obozretného riadenia
podniku, ale nie vždy je jednoduché ho
obhájiť. Prínosy, ktoré vygeneruje, nie sú
často viditeľné, na rozdiel od všetkých nákladov, ktoré sa dajú zistiť v podstate veľmi
jednoducho (napr. z účtovných výkazov
podniku). Avšak podnik, ktorý si prínos
manažmentu rizika uvedomí a bude dôsledne uplatňovať jeho princípy a pravidlá, stane sa z krátkodobého hľadiska stabilnejším a z dlhodobého hľadiska mu táto
činnosť môže zabezpečiť vyššiu konkurencieschopnosť, resp. zisk strategickej konkurenčnej výhody. [2]
Literatúra
[1]DĚDINA, J. – ODCHÁZEL, J. 2007. Management a moderní organizování firmy. 1. vyd. Praha: vytiskly tiskárny EKON, družstvo, Praha.
2007. 328 s. ISBN 978-80-247-2149-1.
[2]HOFREITER, L. 2002. Bezpečnostný manažment. 1. vyd. Žilina: Fakulta špeciálneho inžinierstva Žilinská univerzita v Žiline, EDIS, 2002.
178 s. ISBN 80-7100-953-9.
[3]MERNA, T., AL-THANI, F.F. Risk Management. Řízení rizik ve firmě. Praha: Comuter Press 2007. ISBN 978-80-251-1547-3.
[4]MIKOLAJ, J. a kol. 2004. Terminológia bezpečnostného manažmentu. Výkladový slovník. 1. vyd. Košice: Multiprint s.r.o., 2004. 191 s. ISBN
80-969148-1-2.
[5]MNICHOVÁ, Z.: Riadenie bezpečnostných rizík v podniku a ich zmierňovanie. Diplomová práca, Košice, 2010.
[6]SMEJKAL, V., RAIS, K. Řízení rizik ve firmách a jiných organizacích. Praha: Grada Publishing 2006. ISBN 80-247-1667-4.
[7]ŠIMÁK, L. Manažment rizík. Elektronické skriptá. [online]. Žilina: FŠI ŽU, 2006. FŠI ŽU, 2006. Dostupné na: http://fsi.uniza.sk/kkm/publikacie/mn_rizik.pdf.
[8]http://fsi.uniza.sk/kkm/old/publikacie/mn_rizik.pdf
[9]http://www.ibispartner.sk/sk/manazment-a-podnikanie/155-nastroje-manazmentu-analyza-podnikovych-rizik-i
Príspevok bol vypracovaný v rámci grantového projektu VEGA 1/0679/08 – Integrovaný systém pre inovované projektovanie, plánovanie, organizovanie
a riadenie výroby.
84/14
11/2010 \ www.strojarstvo.sk
Download

November 2010