Badanie wpływu zużycia łańcucha na obciążenia w przekładni łańcuchowej roweru górskiego

Citation preview

Imię i nazwisko studenta: Piotr Wilewski Nr albumu: 181607 Poziom kształcenia: Studia pierwszego stopnia Forma studiów: stacjonarne Kierunek studiów: Mechanika i budowa maszyn Specjalność: Pojazdy, maszyny robocze i układy napędowe

PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Tytuł pracy w języku polskim: Badanie wpływu zużycia łańcucha na obciążenia w przekładni łańcuchowej roweru górskiego Tytuł pracy w języku angielskim: Investigation of the influence of chain wear on loads in a chain transmission of a mountain bike

Opiekun pracy: dr hab. inż. Jacek Łubiński

Streszczenie Celem niniejszej pracy było sprawdzenie wpływu zużycia napędu na obciążenia w kasetach rowerów górskich, porównanie pod tym względem napędów o mniejszej i większej liczbie rzędów a także sprawdzenie zasadności obecnych praktyk serwisowych. Cel ten został zrealizowany poprzez analizę konstrukcji, badania próbek łańcuchów nowych oraz zużytych, a następnie stworzenie modeli 3D i analizę metodą elementów skończonych. Niniejsza praca zawiera szczegółowy opis przeprowadzonych analiz, pomiarów, symulacji i obliczeń oraz wnioski z wyników badań. Słowa kluczowe: Napędy łańcuchowe, Przekładnie łańcuchowe, Kasety rowerowe, Rowery górskie, Podziałka łańcucha, Zmiana podziałki, Metoda elementów skończonych Dziedzina nauki i techniki, zgodnie z wymogami OECD: Nauki inżynieryjne i techniczne, Inżynieria mechaniczna

Abstract The goal of this thesis was to investigate the influence of drivetrain wear on loads o n mountain bike cassettes, to compare drivetrains with different speed-count and to verify the justification of current service practices. This goal has been achieved by analysing the chain design, examination of used and new chain samples, creating 3D models and simulation with the use of finite element analysis. Hereby work contains a detailed description of conducted analyses, measurements, simulations, and calculations as well as the conclusions of the study. Keywords: Chain drives, Chain transmissions, Bicycle cassettes, Mountain bicycles, Chain pitch, Chain pitch change, Finite element method Field of science and technology, according to the requirements of the OECD: Engineering and technology, Mechanical engineering

3

Spis treści WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW .................................................................................... 6 1. WSTĘP I CEL PRACY ....................................................................................................................... 7 1.1 NAPĘDY ŁAŃCUCHOWE W ROWERACH ......................................................................................................... 7 1.2 CEL PRACY.............................................................................................................................................. 7 1.3 METODOLOGIA BADAŃ ............................................................................................................................. 7 2. BADANIA I POMIARY ..................................................................................................................... 8 2.1 ANALIZA KONSTRUKCJI ŁAŃCUCHA ROWEROWEGO ......................................................................................... 8 2.1.1 Normowanie łańcuchów ............................................................................................................. 8 2.1.2 Konstrukcja łańcucha .................................................................................................................. 8 2.2 DOBÓR PRÓBEK DO BADAŃ........................................................................................................................ 9 2.3 IDENTYFIKACJA MECHANIZMÓW ZUŻYCIA .................................................................................................... 11 2.3.1 Odkształcenie pinów ................................................................................................................. 12 2.3.2 Wycieranie rolek........................................................................................................................ 13 2.3.3 Pozostałe mechanizmy .............................................................................................................. 14 2.4 POMIARY ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA ............................................................................................................ 15 2.4.1 Szkic wielkości mierzonych ........................................................................................................ 15 2.4.2 Wyniki pomiarów ...................................................................................................................... 16 2.5 POMIARY PINÓW ZA POMOCĄ PROFILOGRAFU ............................................................................................. 17 2.5.1 Stanowisko pomiarowe ............................................................................................................. 17 2.5.2 Zasada zbierania danych przez profilograf ............................................................................... 18 2.5.3 Pomiary na profilografie ........................................................................................................... 18 2.5.4 Przetworzenie zebranych danych .............................................................................................. 19 2.5.5 Zarysy profili pinów w postaci wykresów .................................................................................. 20 3. MODELE CAD .............................................................................................................................. 24 3.1 MODELE PINÓW ZUŻYTYCH ...................................................................................................................... 24 3.2 MODELE POZOSTAŁYCH ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA ......................................................................................... 25 3.3 MODELE KÓŁ ŁAŃCUCHOWYCH................................................................................................................. 26 3.4 MODELE ZŁOŻENIA ................................................................................................................................ 29 3.4.1 Pierwsza wersja złożenia łańcucha ........................................................................................... 29 3.4.2 Druga wersja złożenia ............................................................................................................... 30 4. ANALIZA MES .............................................................................................................................. 31 4.1 ŚRODOWISKO OBLICZENIOWE .................................................................................................................. 31 4.2 USTAWIENIA SYMULACJI ......................................................................................................................... 31 4.2.1 Geometria ................................................................................................................................. 31 4.2.2 Materiały ................................................................................................................................... 32 4.2.3 Ustawienia obliczeń (Analysis settings) .................................................................................... 32 4.3 WARUNKI BRZEGOWE ............................................................................................................................ 33 4.3.1 Utwierdzenie od bębenka piasty ............................................................................................... 33 4.3.2 Przemieszczenie zerowe łańcucha na boki ................................................................................ 34 4.3.3 Utwierdzenie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem nowym) ............................................ 36 4.3.4 Napięcie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem zużytym).................................................. 37 4.3.5 Stopniowe luzowanie łańcucha ................................................................................................. 38 4.3.6 Siła napinająca łańcuch ............................................................................................................. 40 4.3.7 Umocowanie rolek w kierunku ich osi (napędy zużyte) ............................................................. 42 4.4 USTAWIENIA KONTAKTÓW ...................................................................................................................... 43 4.4.1 Rodzaj kontaktów...................................................................................................................... 43 4.4.2 Dodatkowe Powierzchnie kontaktów rolka – koło łańcuchowe ................................................ 44 4.5 USTAWIENIA SIATKI ................................................................................................................................ 46 4.6 ZESTAWIENIE PARAMETRÓW ZADAŃ .......................................................................................................... 50 5. WYNIKI ANALIZY MES ................................................................................................................. 51 5.1 NACISKI ROLEK NA KOŁA ŁAŃCUCHOWE ...................................................................................................... 51

4

5.1.1 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy nowy .................................................... 51 5.1.2 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy zużyty................................................... 53 5.1.3 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy nowy .................................................. 54 5.1.4 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy zużyty................................................. 55 5.2 ZESTAWIENIE ŚREDNICH NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZĘBACH .................................................................. 57 5.3 POŁOŻENIE ROLEK ................................................................................................................................. 59 5.4 PRZEMIESZCZENIA ................................................................................................................................. 61 5.5 ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE KOŃCÓWEK PINÓW ........................................................................................ 65 6. WNIOSKI ..................................................................................................................................... 66 6.1 PORÓWNANIE NAPĘDÓW NOWYCH I ZUŻYTYCH ........................................................................................... 66 6.1.1 Wartości nacisków .................................................................................................................... 66 6.1.2 Rozkład nacisków ...................................................................................................................... 66 6.2 PORÓWNANIE NAPĘDÓW 8-RZĘDOWYCH I 11-RZĘDOWYCH........................................................................... 66 6.2.1 Wartości nacisków .................................................................................................................... 66 6.2.2 Rozkład nacisków ...................................................................................................................... 66 6.3 EKSPLOATACJA I WYMIANA CZĘŚCI ............................................................................................................ 66 7. PODSUMOWANIE ........................................................................................................................ 67 8. WYKAZ LITERATURY .................................................................................................................... 68 9. WYKAZ RYSUNKÓW .................................................................................................................... 69 10. WYKAZ TABEL .............................................................................................................................. 70

5

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów e

– odległość międzyosiowa opisująca wytarcie powierzchni pinów [-]

𝑅𝑝

-

promień podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym [mm]

𝐷𝑟8 -

średnica rolki łańcucha 8-rzędowego [mm]

𝐷𝑟11 -

średnica rolki łańcucha 11-rzędowego [mm]

𝐷𝑘8 -

średnica podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym łańcucha 8-rzędowego [mm]

𝐷𝑘11 -

średnica podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym łańcucha 11-rzędowego [mm]

g

-

przyspieszenie ziemskie 9,81 [ 2]

𝐹𝑝

-

siła nacisku na pedał [N]

𝐹𝑛

-

siła napinająca łańcuch w gałęzi czynnej [N]

𝐹𝑏

-

siła napinająca łańcuch przypadająca na pojedynczą blaszkę ogniwa [N]

m

s

𝑅𝑚 -

przybliżony promień koła łańcuchowego czynnego przy mechanizmie korbowym [mm]

𝑅𝑘 -

długość ramienia mechanizmu korbowego [mm]

6

1. Wstęp i cel pracy 1.1 Napędy łańcuchowe w rowerach Napędy łańcuchowe bez wątpienia należą do najpopularniejszych, stosowanych w dzisiejszych rowerach [1], a dopracowana technologia, obecna już od długiego czasu, jest szczególnie chętnie wykorzystywana przez producentów w rowerach górskich, gdzie niezbędne są niezawodność i wytrzymałość. Takie układy napędowe składają się z przednich kół łańcuchowych czynnych, połączonych z mechanizmem korbowym (nazywanych wbrew terminologii

technicznej

zębatkami),

łańcucha

rolkowego,

kół

łańcuchowych

biernych

mocowanych na piaście tylnego koła, których zestaw nazywany jest kasetą, oraz przerzutek: tylnej i przedniej (w przypadku więcej niż jednej zębatki) [2]. W ostatnich latach obserwuje się wzrost popularności napędów „1x”, których nazwa pochodzi

od

stosowania

pojedynczej

zębatki

z

przodu.

Rozwiązanie

to

pozwala

na zmniejszenie liczby elementów napędu (zwiększając niezawodność) i gwarantuje wystarczający zakres przełożeń pod warunkiem zwiększenia liczby rzędów - liczby kół łańcuchowych kasety. W napędach z przednią przerzutką, gdzie występują 2 lub 3 zębatki, liczba rzędów waha się między 6 a 10, podczas gdy w napędach typu 1x są to liczby od 10 do 12 [3]. 1.2 Cel pracy Rozwój napędów w postaci zwiększania liczby rzędów kasety wymusił znaczące zmniejszenie wymiarów kół łańcuchowych jak i samych łańcuchów, co intuicyjnie powinno mieć wpływ na ich wytrzymałość. W połączeniu z mniejszymi wymiarami można by sądzić, że napędy o mniejszych wymiarach i większej liczbie rzędów, powinny być mniej żywotne, a więc wymagać na przykład częstszej konserwacji. Celem niniejszej pracy jest sprawdzenie wpływu zużycia napędu na obciążenia w kasetach, porównanie pod tym względem napędów o mniejszej i większej liczbie rzędów kaset a także sprawdzenie zasadności obecnych praktyk serwisowych. 1.3 Metodologia badań W celu sprawdzenia poprawności tezy mówiącej, że napędy o większej liczbie rzędów są bardziej obciążone niż napędy starszych konstrukcji, przeprowadzono badania. W pierwszej kolejności przeanalizowana została konstrukcja łańcuchów rowerowych, następnie wybrane zostały odpowiednie próbki celem zidentyfikowania mechanizmów zużycia. Po wykonaniu odpowiednich pomiarów i komputerowych modeli trójwymiarowych zespołów napędowych przeprowadzono analizy wytrzymałościowe metodą elementów skończonych, na podstawie których wyciągnięto wnioski i sformułowano wskazania dotyczące eksploatacji napędów w rowerach górskich produkowanych w ostatnich latach.

7

2. Badania i pomiary 2.1 Analiza konstrukcji łańcucha rowerowego 2.1.1 Normowanie łańcuchów Łańcuchy rowerowe są typowymi łańcuchami rolkowymi, a ich konstrukcja i wymiary zostały określone w normie ISO 9633:2001. Norma określa ogólną charakterystykę łańcucha, wymiary oraz siły występujące w łączeniach [4]. Ze względu na fakt, że od 2001 roku organizacja ISO nie wydała żadnej nowej normy, jest ona stosowana tylko częściowo [5]. Najważniejszym parametrem stosowanym do dzisiaj przez wszystkich producentów jest podziałka łańcucha ustalona na wymiar 1 cala na każde ogniwo, a więc 0,5 cala (12,7 mm) między osiami sąsiednich pinów. Na podstawie zmiany podziałki na długości kilku lub więcej ogniw (zależnie od użytego przymiaru) określa się zużycie łańcucha. 2.1.2 Konstrukcja łańcucha Wszystkie obecnie stosowane łańcuchy rowerowe składają się z 4 podstawowych elementów, które wspólnie tworzą jedno ogniwo. Elementami tymi są: blaszka zewnętrzna, blaszka wewnętrzna, rolka oraz trzpień spinający blaszki [5], który zgodnie z nomenklaturą branżową w dalszej części pracy będzie określany jako pin. Rysunki 2.1 i 2.2 przedstawiają złożenie łańcucha oraz poszczególne elementy.

Rys. 2.1. Rysunek złożeniowy łańcucha rowerowego

8

Rys. 2.2. Rysunki poszczególnych elementów łańcucha – numery elementów zgodne z Rys. 2.1.

2.2 Dobór próbek do badań W celu przeprowadzenia pomiarów i tworzenia modeli 3D wybrano 4 łańcuchy. Wszystkie pochodziły od jednego producenta, firmy KMC, co miało dodatkową zaletę uniezależnienia badań od produktów dwóch głównych producentów na rynku, a więc japońskiej firmy Shimano oraz amerykańskiej firmy SRAM [6] Wybrano dwa łańcuchy 8-rzędowe (model KMC X8) oraz dwa 11-rzędowe (model KMC X11). Z każdej liczby rzędów jeden łańcuch był fabrycznie nowy, a drugi zużyty w stopniu wymuszającym wymianę łańcucha, ale nie reszty napędu zgodnie ze standardowym przymiarem serwisowym. Przyjmuje się, że dla napędów 8-rzędowych (a także 6, 7, 9 i 10-rzędowych) taki stan łańcuch osiąga przy rozciągnięciu 0.75% (od bazowej długości ogniw dla danego narzędzia) według przymiaru, a dla napędów 11-rzędowych (a także 12-rzędowych) przy 0.50% [7]. Określa się, że jedna kaseta powinna wystarczyć na zużycie trzech łańcuchów do opisanego wcześniej stopnia zanim zajdzie potrzeba jej wymiany. [8] Zużycie maksymalne według przymiarów serwisowych oznacza konieczność wymiany całego napędu, gdyż praca kół łańcuchowych w skrajnych warunkach nie pozwoli na dotarcie nowego łańcucha. [5] Na rys. 2.3 przedstawiono łańcuchy wybrane jako próbki do badań. Na rysunku 2.4 zaprezentowano zdjęcie mikroskopowe jednego z łańcuchów.

9

a)

b)

c)

d)

Rys. 2.3. Zdjęcie przedstawiające łańcuchy wybrane jako próbki do badań a) 8-rzędowy nowy b) 8-rzędowy zużyty c) 11-rzędowy nowy d) 11-rzędowy zużyty

Rys. 2.4. Zdjęcie mikroskopowe przedstawiające fragment łańcucha 11-rzędowego nowego

10

2.3 Identyfikacja mechanizmów zużycia Na drodze obserwacji rozmontowanych łańcuchów określono 3 główne mechanizmy zużycia ich elementów. Były to kolejno: odkształcenie się pinów pod wpływem nacisku kołnierzy blaszek wewnętrznych, wytarcie rolek na skutek współpracy z kołnierzami blaszek wewnętrznych oraz niszczenie powierzchni płaskich różnych elementów na skutek tarcia i korozji. Z powyższych mechanizmów dwa pierwsze mają bezpośredni wpływ na rozciągnięcie łańcucha (zwiększenie jego podziałki) przez powiększenie luzów między częściami. Rysunek 2.5 przedstawia schematycznie te mechanizmy. Ich szczegółowe objaśnienia znajdują się w kolejnych podpunktach. Ze względu na trudność wykonania szczegółowego pomiaru podziałki oraz przyjęty standard serwisowania napędów, w dalszej części pracy posłużono się określeniem procentowego rozciągnięcia łańcucha.

Rys. 2.5. Schemat oddziaływań i mechanizmów zużycia w łańcuchach.

11

2.3.1 Odkształcenie pinów Rozciąganie łańcucha między kasetą o mechanizmem korbowym podczas pedałowania powoduje wciśnięcie kołnierzy blaszek wewnętrznych w pin łańcucha (oddziaływania 1 i 2 na rys. 2.5). Ze względu na luźne pasowanie tych elementów, koniecznie do poprawnego układania się łańcucha na kołach, powstają ubytki materiału wynikające ze zużycia spowodowanego przez tarcie ślizgowe, z udziałem lokalnego uplastycznienia w wyniku dużych wartości lokalnych nacisków. Przedstawiono je poglądowo na rys. 2.6. Na rys. 2.7 widoczne są wytarcia na jednym z badanych łańcuchów, natomiast rys. 2.8 przedstawia ekstremalny przypadek wytarcia. Analogiczne zjawisko nie występuje między blaszkami zewnętrznymi a pinami ze względu na połączenie wciskowe. Wygniecenia są prostopadłe do kierunku działania siły napinającej łańcuch. a)

b)

Rys. 2.6. Szkic wytarć na pinach a) rzuty b) widok izometryczny

Rys. 2.7. Zdjęcie z mikroskopu przedstawiające wytarcia na pinie z jednego z badanych zużytych łańcuchów

12

Rys. 2.8. Zdjęcie przedstawiające ekstremalny przypadek wytarcia pina

2.3.2 Wycieranie rolek Podczas gdy łańcuch opasa koło, zęby dociskają rolki do kołnierzy blaszek wewnętrznych powodując ich wycieranie (oddziaływanie 3 na rys. 2.5). Rys 2.9. przedstawia skutki zużycia rolek wraz ze zdjętymi wymiarami. Na rys. 2.11 widoczna jest zużyta rolka z łańcucha 11-rzędowego.

a)

b)

Rys. 2.9. Szkic wytarć na rolkach a) łańcuch 8-rzędowy, b) łańcuch 11-rzędowy

13

Rys. 2.10. Zdjęcie przedstawiające wytarcia na rolce łańcucha zużytego

2.3.3 Pozostałe mechanizmy Innymi mechanizmami zużycia łańcucha jest przede wszystkim wycieranie powierzchni płaskich elementów ze względu na samo tarcie metalu o metal, ale też ze względu na wszelkie drobiny piasku czy innych zanieczyszczeń, które w połączeniu ze środkami smarnymi tworzą wręcz pasty ściernie. Poza tym ze względu na bardzo nieprzychylne warunki pracy napędu, który jest kompletnie odsłonięty, do zużycia łańcucha przyczynia się korozja. Wytarcie elementów zostało zmierzone i jest przedstawione w dalszej części pracy. Rys. 2.11 przedstawia blaszkę łańcucha z widocznymi oznakami utlenienia powierzchni.

Rys. 2.11. Zdjęcie przedstawiające blaszkę zewnętrzną łańcucha z widoczna korozją

14

2.4 Pomiary elementów łańcucha W celu stworzenia modeli 3D poszczególnych części, jak i złożeń całego łańcucha wraz z kołem łańcuchowym, zmierzono poszczególne elementy za pomocą suwmiarki z dokładnością do 0,05mm. 2.4.1 Szkic wielkości mierzonych Rysunek 2.12 przedstawia, które wielkości zostały zmierzone.

Rys. 2.12. Szkic wielkości mierzonych

15

2.4.2 Wyniki pomiarów W tabeli 2.1 przedstawiono wyniki pomiarów. Poza rozciągnięciem łańcucha wszystkie wielkości podano w milimetrach. Tabela 2.1. Wyniki pomiarów próbek

Element

Blaszka wewnętrzna

Blaszka zewnętrzna

Rolka

Pin

Wymiar

Łańcuch X8 Nowy

X8 Zużyty

X11 Nowy

X11 Zużyty

Rozciągnięcie

0%

0.75%

0%

0.50%

Li

20,75

20,75

20,75

20,75

Ni

4,80

4,80

4,80

4,80

Hi

2,10

2,00

1,65

1,65

hi

1,00

1,00

0,75

0,75

Di

4,90

4,90

4,70

4,70

di

3,60

3,65

3,60

3,65

Le

20,75

20,75

20,90

20,90

Ne

4,80

4,80

4,80

4,80

he

1,00

0,90

0,75

0,75

de

3,50

3,50

3,50

3,50

Dr

7,60

7,60

7,55

7,55

dr

5,10

5,10

5,10

5,10

hr

2,20

2,10

2,00

2,00

Dp

3,55

3,55

3,55

3,55

Lp

6,90

6,90

5,60

5,60

Tabela wartości zmierzonych wymaga kilku uwag: - Różnica w wysokościach Hi blaszek wewnętrznych oraz w wysokościach he blaszek zewnętrznych w łańcuchach 8-rzędowych wynika z już wspomnianego wycierania powierzchni; - Różnica w średnicach otworów blaszek wewnętrznych di w obu łańcuchach również jest skutkiem wytarcia powierzchni; - Średnice wewnętrzne rolek dr mierzono w środku wysokości, szczegółowe wymiary podane zostały w podrozdziale 2.3.2 pracy; - Średnice pinów Dp mierzone były w miejscu wcisku pinu w blaszkę zewnętrzną, szczegółowe pomiary wytarć zostały przeprowadzone za pomocą profilografu i opisane zostały w dalszej części pracy; - Różnica w wartości wysokości rolki hr dla łańcuchów 8-rzędowych i jej brak dla łańcuchów 11-rzędowych jest skutkiem różnic w sposobie eksploatacji i smarowania, łańcuch X8 był narażony na większe zużycie ścierne w tym miejscu.

16

2.5 Pomiary pinów za pomocą profilografu W celu dokładnego zmierzenia odkształceń pinów wykonano pomiary za pomocą profilografu. Przyjęto założenie, że powierzchnia odkształcona jest połową sekcji powierzchni walcowej zgodnie z rys. 2.6. 2.5.1 Stanowisko pomiarowe Pomiary wykonano za pomocą profilografu w Laboratorium Maszynowym Politechniki Gdańskiej. Dane zostały zapisane na dysku komputera, a następnie przetworzone za pomocą odpowiedniego skryptu opisanego w dalszej części pracy. Rys. 2.13 i 2.14 przedstawiają stanowisko pomiarowe.

Rys. 2.13. Zdjęcie przedstawiające głowicę pomiarową profilografu

Rys. 2.14. Zdjęcie przedstawiające interfejs programu sterującego profilografem

17

2.5.2 Zasada zbierania danych przez profilograf Profilograf zbiera dane w postaci 2000 wartości pomiarowych na ustalonym odcinku pomiarowym o wartości od 0 do 4096, gdzie 2048 jest środkiem zakresu pomiarowego ustalonego podczas kalibracji, która w przypadku pomiarów odpowiada zerowej odchyłce od poziomu powierzchni walcowej Wartości punktów zapisywane są do jednego pliku tekstowego, oddzielnego dla każdego pomiaru. Dla przykładu wartość 2040 oznacza odchyłkę od poziomu bazowego o pomiarowego

należy

8

4096

zakresu pomiarowego w dół. Żeby otrzymać wartość punktu

pomnożyć

odchyłkę

przez

zakres

pomiarowy

–

w

przypadku

wykonywanych pomiarów 1000 µm: 8 ∙ 1000 𝜇𝑚 ≈ 1,953 𝜇𝑚 4096 Wobec powyższego, wartość 2040 w pliku z wynikami oznaczać będzie odchyłkę o około 1,953 µm w dół od poziomu bazowego, dla którego kalibrowany był profilograf. Kalibracja następowała bezpośrednio przed każdym pomiarem. 2.5.3 Pomiary na profilografie Za pomocą profilografu przebadane zostały łącznie 3 piny z łańcuchów: jeden pin z łańcucha 8-rzędowego zużytego, jeden z łańcucha 11-rzędowego zużytego i jeden pin z nowego łańcucha 8-rzędowego jako grupa kontrolna. Dla pinu z łańcucha 8-rzędowego, w związku z większą długością zostały przeprowadzone dwa pomiary w każdej serii pomiarowej w taki sposób, aby częściowo się pokrywały. Dla pinu z łańcucha 11-rzędowego obie serie przeszły po podobnym odcinku. Celem przeprowadzenia trzech serii było znalezienie najgłębszego miejsca w ubytkach powierzchni walcowych. Do tworzenia modeli 3D wybrane zostały przejścia o najmniejszych wartościach (o odchyłkach od poziomu zerowego najbardziej w głąb materiału). Zestawienie pomiarów zostało przedstawione w tabeli 2.2. Rys. 2.15 przedstawia umiejscowienie poszczególnych pomiarów i ich oznaczenia.

18

Tabela 2.2. Zestawienie pomiarów Przejścia

Razem

Odcinek

Zakres

(na serię)

pomiarów

pomiaru

pomiaru

2

3

6

4,00 mm

1000 µm

0,5 mm

2

3

6

4,00 mm

1000 µm

-

1

1

1

4,00 mm

1000 µm

Próbka

Przekrycie

Serie

X8

1,5 mm

X11 Kontrolna

Rys. 2.15. Wyjaśnienie oznaczeń pomiarów pinów

2.5.4 Przetworzenie zebranych danych Ze względu na niewygodną formę danych do przetworzenia ich do postaci łatwych do interpretacji wykresów napisano skrypt w języku Python z użyciem modułu pylab z biblioteki matplotlib. Poniżej zamieszczono kod wraz z komentarzami jednego z 5 skryptów, które napisano analogicznie dla wszystkich plików pomiarowych, z czego po 2 skrypty dla pinów badanych i 1 dla próbki kontrolnej.

19

from matplotlib import pylab

#import modułu pylab z biblioteki matplotlib

pylab.rcParams['font.family']='Arial'

#zmiana czcionki oznaczeń wykresu na taką, która zawiera polskie znaki

plik1='X8-1-1'

#określenie wybranej grupy danych

plik1nazwa=plik1+'.txt'

#zapisanie nazwy grupy danych z rozszerzeniem .txt jako zmiennej

z1=pylab.loadtxt(plik1nazwa)

#wczytanie pliku i utworzenie maceirzy

z1=(z1-2048)*(500/2048)+1.8

#wyrównanie wykresu do 0 i kompensacja błędu kalibracji profilografu

ni1=z1.size

#odczyt rozmiaru macierzy

i1=pylab.arange(ni1)*(4/ni1)*1000

#ustawienie zakresu pomiaru

pylab.plot(i1,z1,color='r',label=plik1)

#utworzenie wykresu

plik2='X8-2-1' plik2nazwa=plik2+'.txt' z2=pylab.loadtxt(plik2nazwa) z2=(z2-2048)*(500/2048)-45.6 ni2=z2.size i2=pylab.arange(ni2)*(4/ni2)*1000 pylab.plot(i2,z2,color='b',label=plik2)

plik3='X8-3-1' plik3nazwa=plik3+'.txt' z3=pylab.loadtxt(plik3nazwa) z3=(z3-2048)*(500/2048)-43.4 ni3=z3.size i3=pylab.arange(ni3)*(4/ni3)*1000 pylab.plot(i3,z3,color='g',label=plik3)

pylab.grid()

#dodanie siatki

pylab.title(u'Łańcuch 8-rzędowy, seria 1',size='large')

#dodanie tytułu wykresu

pylab.xlabel(u'Odcinek pomiaru [µm]')

#tytuł osi x

pylab.ylabel(u'Uskok [µm]')

#tytuł osi y

pylab.legend([plik1, plik2, plik3],title=u'Pomiar',loc='lower right')

#dodanie legendy

pylab.show()

#wywołanie interfejsu matplotlib z wykresem

2.5.5 Zarysy profili pinów w postaci wykresów Poniżej przedstawiono profile pinów w postaci wykresów z zebranych na profilografie danych. Należy nadmienić, że druga seria pomiarów pinu łańcucha 8-rzędowego obarczona jest błędem kalibracji polegającym na kalibrowaniu głowicy w kierunku nie równoległym do osi powierzchni walcowej, stąd model 3D został oparty na odbiciu lustrzanym zarysu uzyskanego w serii pierwszej. Ze względu na symetryczny charakter symulacji MES i cel pracy taki zabieg nie wpływa na dokładność obliczeń. Wykresy od 2.16 do 2.20 przedstawiają profile powierzchni pinów.

20

Rys. 2.16. Profil powierzchni pinu, łańcuch zużyty 8-rzędowy, seria 1

Rys. 2.17. Profil powierzchni pinu, łańcuch zużyty 8-rzędowy, seria 2

21

Rys. 2.18. Profil powierzchni pinu, łańcuch zużyty 11-rzędowy, seria 1

Rys. 2.19. Profil powierzchni pinu, łańcuch zużyty 11-rzędowy, seria 2

22

Rys. 2.20. Profil powierzchni pinu, łańcuch nowy, pomiar kontrolny

Na wykresach widoczne są dokładnie miejsca, w których kołnierze blaszek wewnętrznych niszczą materiał pinów. Ponadto poza zużyciem w głąb materiału widoczne są delikatne wypływki przy krawędziach ubytków, co wskazuje, że część uszkodzenia powstaje na skutek wygniatania metalu. Pomiar kontrolny spełnił swoje zadanie, wskazując na poprawne działanie profilografu dzięki obrazowaniu płaskiej powierzchni. Ponadto widać na nim dokładnie pozostałość po wcisku pinu w blaszkę zewnętrzną.

23

3. Modele CAD Następnym krokiem w pracy było wykonanie modeli 3D w środowisku CAD w taki sposób, aby jak najlepiej odwzorować bryły elementów łańcuchów zgodnie z pomierzonymi wielkościami. W przypadku tworzenia modeli części nowych przyjęto, że rolki są idealnymi tulejami, a piny idealnymi walcami. W tworzeniu modeli pominięto też wszelkie podcięcia i przetłoczenia służące w prawdziwym łańcuchu do ułatwienia zmiany biegów, gdyż nie mają one

dużego

znaczenia

dla

wytrzymałości

konstrukcji

oraz

powodowałyby

znaczne

skomplikowanie modeli 3D, co przełożyłoby się na rozmiar zadań do analizy metodą elementów skończonych. 3.1 Modele pinów zużytych Zgodnie z pomiarami zebranymi na profilografie utworzono modele 3D pinów łańcuchów. Z wykresów wybrano punkty charakterystyczne, na podstawie których zmieniano średnicę promienia profilu połowy powierzchni walcowej. Rys. 3.1 pokazuje modele zużytych pinów w programie Autodesk Inventor. a)

b)

Rys. 3.1. Zrzut ekranu przedstawiający modele zużytych pinów - widok izometryczny a) pin łańcucha 11-rzędowego b) pin łańcucha 8-rzędowego

24

b)

a)

Rys. 3.2. Zrzut ekranu przedstawiający modele zużytych pinów - widok na mierzony profil a) pin łańcucha 11-rzędowego b) pin łańcucha 8-rzędowego

3.2 Modele pozostałych elementów łańcucha Na

podstawie

pomiarów

wykonanych

suwmiarką

stworzono

również

modele

pozostałych elementów łańcucha. Przykładowe elementy zostały pokazane na rys. 3.3. a)

b)

c)

d)

Rys. 3.3. Zrzut ekranu przedstawiający modele elementów łańcucha a) blaszka wewnętrzna łańcucha 11-rzędowego zużytego b) rolka łańcucha 11-rzędowego zużytego c) blaszka zewnętrzna łańcucha 8-rzędowego nowego d) pin łańcucha 8-rzędowego nowego

25

3.3 Modele kół łańcuchowych Aby zrealizować cel pracy i sprawdzić wpływ zmiany podziałki łańcucha na obciążenia kasety, koniecznie było wybranie odpowiedniego rodzaju napędu. Kierując się potrzebą łatwego porównania wyników dla napędów o różnej ilości rzędów, zdecydowano się na stworzenie modelu najmniejszego koła łańcuchowego o wielkości 11 zębów zwanego również najmniejszą koronką i oznaczanego jako 11T. Koronka 11T ze względu na najmniejszą ilość zębów z całej kasety jest najbardziej obciążona oraz ulega najszybszemu zużyciu. Ponadto rozmiar ten występuje powszechnie jako najmniejsze koło łańcuchowe zarówno w kasetach 8-rzędowych jak i 11-rzędowych [9]. Modele 3D zostały oparte na kołach zębatych firmy Shimano z klasycznym rozwiązaniem przenoszenia momentu na bębenek za pomocą wielowypustu. Koła modelowano jako fabrycznie nowe zgodnie z przyjętym założeniem większej trwałości kół łańcuchowych niż samych łańcuchów. Stworzono dwa modele kół po jednym dla każdej liczby rzędów w napędzie. Fotografie na rys. 3.4 i 3.5 przedstawiają koła łańcuchowe użyte jako pierwowzór modeli. Modele przedstawiono na rys. 3.6. a)

b)

Rys. 3.4. Zdjęcie przedstawiające koła łańcuchowe użyte jako pierwowzór modeli – strona zewnętrzna a) z łańcucha 8-rzędowego b) z łańcucha 11-rzędowego

a)

b)

Rys. 3.5. Zdjęcie przedstawiające koła łańcuchowe użyte jako pierwowzór modeli – strona wewnętrzna a) z łańcucha 8-rzędowego b) z łańcucha 11-rzędowego

26

a)

b)

Rys. 3.6. Zrzut ekrany przedstawiający modele kół łańcuchowych a) 11-rzędowe b) 8-rzędowe

Podczas pierwszych prób obliczeniowych wykryto błąd modelowania geometrii wycięcia wynikający z trudności zdjęcia wymiaru średnicy głównej części podcięcia. Przedstawiono to na rys. 3.7. W pierwotnej wersji została ona oszacowana na 8 mm, natomiast podczas poprawy modelu została wyliczona zgodnie z wytycznymi American Chain Association. [10]

Rys. 3.7. Geometria podcięcia pod rolkę na modelu koła łańcuchowego

27

Zgodnie ze wzorem zawartym w Standard Handbook of Chains, promień podcięcia na rolkę jest funkcją średnicy rolki i wynosi: 𝑅𝑝 = (0,5025 ∙ 𝐷𝑟 + 0,0015 𝑚𝑚) i tak dla napędu 8-rzędowego: 𝐷𝑟8 = 7,6 𝑚𝑚 𝐷𝑘8 = 2 ∙ (0,5025 ∙ 𝐷𝑟8 + 0,0015) = 2 ∙ (0,5025 ∙ 7,6 + 0,0015) = 7,641 [𝑚𝑚] oraz dla napędu 11-rzędowego: 𝐷𝑟11 = 7,55 𝑚𝑚 𝐷𝑘8 = 2 ∙ (0,5025 ∙ 𝐷𝑟11 + 0,0015) = 2 ∙ (0,5025 ∙ 7,55 + 0,0015) = 7,59075 [𝑚𝑚] W obu przypadkach wartości zaokrąglono do wartości 7,6 mm, co już pozwoliło uzyskać zadowalającą dokładność. Korekta geometrii poskutkowała znacznie lepszym przyleganiem rolek łańcucha do koła łańcuchowego, dzięki czemu zminimalizowano przemieszczenia w symulacji MES (co z kolei umożliwiło uzbieżnienie zadań) oraz znacząco zwiększono dokładność wyników. Przybliżenie to było możliwe ze względu na serwisowe założenie, że w trakcie eksploatacji jednej kasety możliwa jest dwukrotna zmiana łańcucha, o ile jego zużycie nie przekracza 75% (50% dla napędów 11-rzędowych) według przymiarów. Oznacza to, że koła łańcuchowe powinny zachowywać się tak samo, niezależnie od stopnia wytarcia wycięć (w granicach przyjętych do badań).

28

3.4 Modele złożenia W celu przeprowadzenia analizy całego napędu stworzono 4 modele napędów: 8-rzędowy z nowym i rozciągniętym łańcuchem oraz analogicznie 11-rzędowy. We wszystkich złożeniach elementy zostały ustawione analogicznie tak, żeby możliwe było porównanie wyników. 3.4.1 Pierwsza wersja złożenia łańcucha Pierwsze złożenie łańcucha wraz z objaśnieniami zostało przedstawione na rys. 3.8. a)

b)

Rys. 3.8. Pierwsza wersja modelu złożenia napędu a) rzut z objaśnieniami b) widok izometryczny dopasowany do rysunku

29

3.4.2 Druga wersja złożenia Ze

względu

na

duże

rozmiary

plików

do

analizy

MES

oraz

trudności

z przeprowadzeniem obliczeń, konieczne było stworzenie nowych modeli złożenia o mniejszej liczbie elementów i poprawionej geometrii wycięć pod rolki na kole zębatym, opisanych w poprzednim punkcie. Na rys 3.9 przedstawiono poprawiony model złożenia.

a)

b)

Rys. 3.9. Ostateczna wersja modelu złożenia napędu a) rzut z objaśnieniami b) widok izometryczny

30

4. Analiza MES W celu sprawdzenia obciążenia kaset oraz przemieszczeń przeprowadzono analizy za Pomocą metody elementów skończonych w środowisku obliczeniowym ANSYS. Na podstawie 4 modeli złożeń opisanych w poprzednim rozdziale utworzono 4 zadania w programie. Miarą powodzenia obliczeń było uzyskanie tzw. uzbieżnienia zadania, a więc osiągniecia wartości sił w założonych granicach błędu dla danych podkroków (zgodnie z metodą Newtona-Raphsona). Uzbieżnienie wszystkich kroków w zadaniu oznaczało prawidłowe ukończenie obliczeń przez program. [11] 4.1 Środowisko obliczeniowe Wszystkie analizy wytrzymałościowe zostały przeprowadzone w środowisku ANSYS 2021 R2, w systemie analizy Static Structural z użyciem następujących komponentów programu: •

ANSYS Workbench – zbiorcze ustawienie symulacji i import geometrii w formacie step;

•

ANSYS SpaceClaim – korekta złozeń;

•

ANSYS Mechanical – przykładanie warunków brzegowych, przeprowadzanie obliczeń i odczytanie wyników.

Uwaga: na ilustracjach widnieje oznaczenie wersji 2022 R2, została ona użyta po zakończeniu obliczeń tylko do odczytu wyników oraz dokumentacji na potrzeby niniejszej pracy ze względu na dostęp do licencji. Wszystkie obliczenia były przeprowadzane w wersji 2021 R2. 4.2 Ustawienia symulacji 4.2.1 Geometria We wszystkich zadaniach zaimportowano modele łańcuchów i kół łańcuchowych uprzednio przygotowanych w programie Autodesk Inventor Professional 2022 (opisane w poprzednim rozdziale) i wyeksportowanych do formatu STEP. W przypadku konieczności drobnych korekt posłużono się programem ANSYS SpaceClaim w celu uniknięcia importu geometrii od początku.

31

4.2.2 Materiały Do wszystkich brył przypisano materiał stali strukturalnej z domyślnej biblioteki materiałów. Szczegóły podano na rys. 4.1.

Rys. 4.1. Zrzut ekranu przedstawiający właściwości materiału przypisanego do wszystkich brył

4.2.3 Ustawienia obliczeń (Analysis settings) Zastosowano następujące ustawienia obliczeń - podano parametry zmienione z domyślnych: •

Liczba kroków obliczeniowych: 6;

•

Opcja Auto Time Stepping: włączony (dla każdego kroku);

•

Maksymalna liczba podkroków (Maximum Substeps): 5 ∙ 108 ;

•

Słabe sprężyny (Weak springs): włączone;

•

Duże przemieszczenia (Large Deflection): włączone;

•

Opcja Carry over time step dla kroków innych niż 1.: wyłączona;

•

Opcja Newtona-Raphsona (Newton-Raphson Option): niesymetryczna;

•

Używany Solver (Solver Type) dla zadań z napędami zużytymi: iteracyjny

Uwaga: w przypadku zadania z napędem 8-rzędowym nowym opcja Auto Time Stepping w krokach obliczeniowych 2. i dalszych pozostała ustawiona domyślnie jako Program controlled. W przypadku próby odtworzenia niniejszych obliczeń zaleca się zmianę tego ustawienia na takie, jak w przypadku pozostałych zadań. Ustawienia obliczeń z zadania z napędem 11-rzędowym nowym przedstawiono na rys. 4.2.

32

Rys. 4.2. Zrzut ekranu przedstawiający szczegółowe ustawienia obliczeń

4.3 Warunki brzegowe 4.3.1 Utwierdzenie od bębenka piasty Powierzchnie stykające się w rzeczywistym napędzie z bębenkiem piasty, a więc przenoszące moment na koło roweru, zostały utwierdzone na stałe (fixed support). Stanowią one zatem podstawowe fizyczne podparcie w zadaniu, czyniąc je jednocześnie zadaniem statycznym,

możliwym

do

policzenia.

Zastosowano

9 powierzchni. Zabieg pokazuje rys.4.3.

33

jedno

utwierdzenie

zawierające

Rys. 4.3. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły utwierdzenia odpowiadającego oparciu koła łańuchcowego o bębenek piasty

4.3.2 Przemieszczenie zerowe łańcucha na boki W celu zabezpieczenia łańcucha przed przesunięciem w kierunku osi Z, zgodnym z

kierunkiem

osi

koła

łańcuchowego,

powierzchnie

zewnętrzne

wszystkich

blaszek

oraz powierzchnie czołowe pinów (razem 26 powierzchni) zostały utwierdzone zerowym przemieszczeniem w kierunku osi Z we wszystkich krokach obliczeniowych. W rzeczywistym łańcuchu luz między elementami pozwala mu układać się swobodnie bliżej lewej lub prawej strony, natomiast zapewnienie symetrii względem środka wycięć pod rolki w symulacji zwiększa szanse na uzbieżnienie obliczeń poprzez uproszczenie modelu. W zadaniu ze zużytym napędem 8-rzędowym ostatecznie nie włączono powierzchni czołowych ostatniego pina, w przypadku powtarzania obliczeń zaleca się najpierw spróbować przeprowadzić obliczenia z utwierdzonymi wszystkimi powierzchniami. Szczegóły przemieszczenia przedstawiono na rys. 4.4.

34

Rys. 4.4. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przmieszczenia zerowego powierzchni zewnętrznych elementów łańuchca na boki – wzdłuż osi Z

35

4.3.3 Utwierdzenie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem nowym) W napędach z łańcuchem nowym napięcie od wózka przerzutki zasymulowano w postaci utwierdzenia stałego (fixed support) wewnętrznych powierzchni walcowych kołnierzy blaszek zewnętrznych na dolnym końcu łańcucha. W rzeczywistości na łańcuch oddziałuje siła napinająca łańcuch po stronie przeciwnej niż siła ciągnąca od mechanizmu korbowego. W napędach rowerowych jest to realizowane za pomocą sprężynującego wózka przerzutki, którego jedno z kół łańcuchowych dopycha łańcuch w stronę osi kasety oraz zapewnia poprawne podawanie łańcucha na odpowiednie koło łańcuchowe kasety. [2] Przeprowadzone analizy miały na celu zbadanie obciążenia kasety, które w miejscu podawania łańcucha jest znikome lub nie występują żadne naprężenia [12] W związku z tym rodzaj umocowania ostatniego ogniwa w środowisku obliczeniowym ma większe znaczenie dla przebiegu i powodzenia obliczeń niż dla ich wyników. Szczegóły przedstawia rys. 4.5.

Rys. 4.5. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły utwierdzenia odpowiadającego napięciu łańucha wózkiem przerzutki – zadanie z napędem nowym

36

4.3.4 Napięcie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem zużytym) W napędach z łańcuchem zużytym zamiast utwierdzenia stałego zastosowano przemieszczenie o wartości 0,1 mm, które rozciąga łańcuch wzdłuż blaszki. Jest to kierunek przeciwny do osi X pomocniczego układu współrzędnych utworzonego na podstawie układu współrzędnych bryły z pliku step. Szczegóły przedstawia rys. 4.6. Układ taki domyślnie jest zgodny z układem z programu CAD, w którym tworzono modele blaszek. W celu dodania takiego układu współrzędnych należy za pomocą opcji Select Body wybrać bryłę, a następnie z menu prawego przycisku myszy wybrać opcję Create Coordinate System. Umocowanie jest stałe dla wszystkich kroków obliczeniowych. Jak wspomniano w punkcie poprzednim, decyzja ta była podyktowana staraniem o uzbieżnienie wyników w środowisku obliczeniowym i nie ma większych konsekwencji dla wniosków niniejszej pracy.

Rys. 4.6. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przemieszczenia odpowiadającego napięciu łańucha wózkiem przerzutki – zadanie z napędem zużytym

37

4.3.5 Stopniowe luzowanie łańcucha Ze względu na dużą złożoność obliczeń wynikającą, z mnogości kontaktów (58 par kontaktowych), niemożliwe było policzenie zadania przez program w jednym kroku obliczeniowym. Z tego powodu zastosowano zabieg stopniowego odpuszczania kolejnych ogniw łańcucha w 6 krokach. Kolejno zdejmowane były wymuszone zerowe przemieszczenia powiązane z powierzchniami czołowymi odpowiednich pinów i powierzchniami zewnętrznymi blaszek. W pierwszym kroku włączone były wszystkie przemieszczenia (rys. 4.7), w drugim kroku wyłączone pierwsze, w trzecim kroku wyłączone pierwsze i drugie (rys. 4.8) i w ten sposób w ostatnim kroku zdjęte zostało przemieszczenie szóstego (przedostatniego – rys. 4.9) ogniwa. Podzielenie obliczeń tą metodą pozwoliło na optymalizację zadania, a przez fakt, że po każdym kroku wszystkie wyniki są automatycznie korygowane, nie miało to wpływu na końcowe wyniki. Kolor turkusowy w zakładce Tabular Data oznacza, że w danym kroku warunek brzegowy jest nieaktywny.

Rys. 4.7. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przemieszczenia zerowego służacego stopniowemu odpuszczaniu kolejnych ogniw łańcucha – przmieszczenie 1.

38

Rys. 4.8. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przemieszczenia zerowego służacego stopniowemu odpuszczaniu kolejnych ogniw łańcucha – przmieszczenie 3.

39

Rys. 4.9. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przemieszczenia zerowego służacego stopniowemu odpuszczaniu kolejnych ogniw łańcucha – przmieszczenie 5.

4.3.6 Siła napinająca łańcuch Siła napinająca łańcuch została przyłożona do wewnętrznych powierzchni walcowych kołnierzy blaszek wewnętrznych zgodnie z rys. 4.10. Przyłożono dwie siły o wartości 725 N zgodnie z poniższymi obliczeniami. Zwrot wektora siły zgodny jest z kierunkiem osi X głównego układu współrzędnych zadania. Siła jest narastająca w pierwszym kroku obliczeniowym i stała w pozostałych. Ze względu na dynamiczny charakter, największe obciążenia łańcucha powstają podczas ruszania z miejsca, co spowodowane jest przyłożeniem największej siły (ruchem niejednostajnym) często na zbyt wysokim biegu. To właśnie wtedy zużyty łańcuch ma tendencję do przeskoczenia po kole łańcuchowym. [13] Do wyznaczenia siły w gałęzi czynnej napędu założono ruszanie z miejsca i rowerzystę ważącego 90 kg, który stojąc na rowerze przekłada na pedał 70% swojej masy ciała. Siła nacisku na pedał wyniesie zatem: 𝐹𝑝 = 0,7 ∙ 90 ∙ 𝑔 = 0,75 ∙ 80 ∙ 9,81 = 618,03 [𝑁]

40

Założono również długość korby 𝑅𝑘 = 175 𝑚𝑚, co jest jednym z najczęściej spotykanych wymiarów oraz promień koła łańcuchowego przy mechanizmie korbowym 𝑅𝑚 = 74,5 𝑚𝑚, co odpowiada często wybieranej zębatce o 32 zębach [9]. Moment od korby musi być równy momentowi przekazywanemu przez zębatkę: 𝐹𝑛 ∙ 𝑅𝑚 = 𝐹𝑝 ∙ 𝑅𝑘 Wobec powyższego siła napinająca łańcuch wyniesie:

𝐹𝑛 =

𝐹𝑝 ∙ 𝑅𝑘 618,03 ∙ 175 = = 1451,748 [𝑁] 𝑅𝑚 74,5

Połowa siły przyłożona do jednej z blaszek wyniesie:

𝐹𝑏 =

𝐹𝑛 1451,748 = = 725,874 [𝑁] 2 2

Rys. 4.10. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły siły napinającej łańcuch

41

4.3.7 Umocowanie rolek w kierunku ich osi (napędy zużyte) Ze względu na bardzo duże wartości sił w zadaniu oraz stożkowe powierzchnie wewnętrzne rolek w łańcuchach zużytych konieczne było ich utwierdzenie za pomocą przemieszczenia zerowego w kierunku ich osi (rys. 4.11). Podobnie jak w przypadku zabezpieczenia powierzchni czołowych pinów i powierzchni zewnętrznych blaszek, zabieg ten służył jedynie do wymuszenia symetrii zadania. Ze względu na niewielkie wartości przemieszczeń w rzeczywistych mechanizmach oraz fakt, że dodatkowo działają siły adhezyjne środków smarnych (zapobiegając przesuwaniu się elementów łańcucha), zabieg ten nie zaburzył realności otrzymanych wyników obliczeń.

Rys. 4.11. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły przemieszczenia zerowego powierzchni czołowych rolek na boki – wzdłuż osi Z

42

4.4 Ustawienia kontaktów 4.4.1 Rodzaj kontaktów Wszystkie kontakty w zadaniach ustawione zostały jako kontakty tarciowe (Frictional) ze współczynnikiem tarcia odpowiadającym kontaktowi stal – stal o wartości 0,1 [14] Wybór powierzchni Contact i Target nie był zmieniany z automatycznego, ustawionego przez program. Szczegóły ustawień kontaktów przedstawia rys. 4.12.

Rys. 4.12. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły par kontatkowych

43

4.4.2 Dodatkowe Powierzchnie kontaktów rolka – koło łańcuchowe Ze względu na niedoskonałość automatycznego wykrywania powierzchni kontaktowych przez program koniecznie było wprowadzenie poprawek. Ponieważ powierzchnie zewnętrzne rolek przed uruchomieniem obliczeń nie były wystarczająco blisko wszystkich powierzchni wycięcia koła, koniecznie było ręczne dodanie tych powierzchni. Na rys. 4.13 widać, że wycięcie tworzą dwie powierzchnie, z czego po automatycznym wykryciu tylko dolna (bliższa osi koła) była zarejestrowana jako powierzchnia kontaktowa. Na rys. 4.14 widoczna jest skorygowana strefa kontaktu zawierająca dwie powierzchnie, a na rys. 4.15 szczegóły ustawień kontaktu.

Rys. 4.13. Zrzut ekranu przedstawiający geometrię zagłębienia na rolkę w kole łańuchowym

44

4.14. Zrzut ekranu przedstawiający dwie powierzchnie koła łańcuchowego włączone w parę kontaktową rolka – koło łańcuchowe

Rys. 4.15. Zrzut ekranu przedstawiający szczegóły pary kontaktowej rolka – koło łańcuchowe

45

4.5 Ustawienia siatki Ze względu na bardzo duże naciski jednostkowe w obszarach styku między łańcuchem a kołem koniecznie było zwiększenia gęstości elementów skończonych w celu zwiększenie dokładności wyników oraz szans uzbieżnienia się obliczeń. Za pomocą opcji Contact Sizing, umożliwiającej zmianę gęstości siatki lokalnie w obszarach, gdzie występuje kontakt powierzchni, zmieniono odpowiednio wielkość elementu skończonego. I tak ogólny rozmiar elementów pozostał bez zmian z domyślnego wybranego przez program (rys. 4.16), następnie dla wszystkich obszarów kontaktów zmieniono rozmiar elementów na 0,3 mm (rys. 4.17), a dodatkowo dla par kontaktowych rolka – koło na 0,045 mm (rys. 4.19). Podział na elementy skończone przedstawiają rys. 4.18, 4.20 i 4.21.

Rys. 4.16. Zrzut ekranu przedstawiający podział na elementy skończone całego modelu złożenia

46

Rys. 4.17. Zrzut ekranu przedstawiający globalne ustawienia rozmiaru elementów skończonych dla wszystkich par kontaktowych z wyłączeniem par rolka – koło łańcuchowe

Rys. 4.18. Zrzut ekranu przedstawiający podział na elementy skończone blaszki zewnętrznej – strona kontaktu z blaszką wewnętrzną

47

Rys. 4.19. Zrzut ekranu przedstawiający ustawienia rozmiaru elementów skończonych dla wszystkich par kontaktowych rolka – koło łańcuchowe

48

Rys. 4.20. Zrzut ekranu przedstawiający podział na elementy skończone powierzchni koła łańuchcowego odbierającej nacisk od rolki po napięciu łańcucha

Rys. 4.21. Zrzut ekranu przedstawiający podział na elementy skończone rolki

49

4.6 Zestawienie parametrów zadań W tabeli 4.1 przedstawiono liczbę węzłów, elementów skończonych i par powierzchni kontaktowych poszczególnych zadań. Tabela 4.1. Dane zadań

Liczba elementów

Liczba

Liczba par

skończonych

węzłów

kontaktowych

Nowy

566798

1293383

58

8

Zużyty

596369

1446324

55

11

Nowy

449723

973122

60

11

Zużyty

846371

1507348

61

Ilość rzędów

Stan

8

Wahania powyższych wartości pomiędzy zadaniami wynikają z automatycznego generowania siatki,

różnych

wielkości

modeli

oraz

automatycznych

kontaktowych.

50

algorytmów

wykrywania

par

5. Wyniki analizy MES 5.1 Naciski rolek na koła łańcuchowe W

niniejszym

podrozdziale

przedstawiono

wyniki

analizy

metodą

elementów

skończonych dotyczące nacisków rolek na zagłębienia w kołach łańcuchowych. 5.1.1 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy nowy Na rys. 5.1 widoczne są naciski na dwóch pierwszych zagłębieniach, licząc od strony napinania łańcucha przez mechanizm korbowy (taka sama kolejność jest używana w dalszych podrozdziałach). Naciski na pozostałych zagłębieniach przedstawia rys. 5.2. Na pierwszym zębie (z prawej strony) widoczna jest charakterystyczna linia (kolor czerwony, górna granica skali – rys. 5.3.) gdzie występują bardzo duże naprężenia o wartościach przewyższających granicę plastyczności materiału. Przyczyną takiej anomalii jest niedoskonałe geometryczne odtworzenie kształtu zagłębień. W modelu CAD w miejscu, gdzie występują naprężenia znajduje się krawędź, widoczna na rys. 4.12 i 4.19. W związku z powyższym po przyłożeniu siły następuje nacisk powierzchni walcowej na linię, co skutkuje stykiem elementów w kształcie linii, a więc

nieskończenie

małą powierzchnią. Ta

niedoskonałość

może

jednak

zostać

zaakceptowana ze względu na odkształcenie plastyczne w dalszej części obliczeń i urealnienie wyników. Ponadto w celu formułowania wniosków użyto wartości średnich nacisków.

Rys. 5.1. Rozkład nacisków na dwóch pierwszych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 8-rzędowy nowy

51

Rys. 5.2. Rozkład nacisków na pozostałych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 8-rzędowy nowy

Rys. 5.3. Rozkład nacisków na krawędzi styku dwóch powierzchni zagłębienia na rolkę w kole łańcuchowym – napęd 8-rzędowy nowy

52

5.1.2 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy zużyty

Rys. 5.4. Rozkład nacisków na dwóch pierwszych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 8-rzędowy zużyty

Rys. 5.5. Rozkład nacisków zagłębieniach od 2. do 5. koła łańcuchowego – napęd 8-rzędowy zużyty

53

Rys. 5.6. Rozkład nacisków na ostatnim zagłębieniu koła łańcuchowego – napęd 8-rzędowy zużyty

5.1.3 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy nowy

Rys. 5.7. Rozkład nacisków na dwóch pierwszych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 11-rzędowy nowy

54

Rys. 5.8. Rozkład nacisków na pozostałych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 11-rzędowy nowy

5.1.4 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy zużyty

Rys. 5.9. Rozkład nacisków na dwóch pierwszych zagłębieniach koła łańcuchowego – napęd 11-rzędowy zużyty

55

Rys. 5.10. Rozkład nacisków na zagłębieniach od 2. do 4. koła łańcuchowego – napęd 11-rzędowy zużyty

Rys. 5.11. Rozkład nacisków na zagłębieniach 5. i 6. koła łańcuchowego – napęd 11-rzędowy zużyty

56

5.2 Zestawienie średnich nacisków na poszczególnych zębach Żeby w rzetelny sposób ocenić wyniki oraz wyciągnąć wnioski na temat wpływu zmiany podziałki łańcucha na obciążenia kasety, koniecznie było porównanie rozkładu nacisków na poszczególnych zagłębieniach. W prawidłowo działającym napędzie łańcuchowym obciążenie kolejnych zębów maleje zgodnie z ilorazem postępu geometrycznego, [10] a więc jeśli przedstawić taki rozkład na wykresie, będzie on widoczny jako liniowy. W tabelach 5.1 i 5.2 przedstawiono zestawienie nacisków średnich na poszczególnych zagłębianiach dla wszystkich czterech napędów. Wszystkie wartości pochodzą z ostatniego uzbieżnionego kroku obliczeń. Należy pamiętać, że naciski na 5. i 6. z kolei zagłębieniu będą w rzeczywistości bardzo małe lub zerowe, [10] a ich ewentualne większe wartości (jak na przykład w napędzie 8-rzędowym zużytym) wynikają z zastosowania dodatkowego napięcia za pomocą wymuszonego przemieszczenia opisanego w poprzednim rozdziale. Wobec powyższego, wartości w tabeli dla dwóch ostatnich zagłębień należy traktować wyłącznie jako wynik symulacji, a nie jako wartości naprężeń, które mogą realnie wystąpić w napędzie. Tabela 5.1. Wartości nacisków na poszczególnych zagłębianiach – napędy 8-rzędowe Napęd

8-rzędowy nowy

8-rzędowy zużyty

Zagłębienie

Minimum

Maksimum

Średnia

Minimum

Maksimum

Średnia

1

0

5192,7

150,88

0

5410,8

204,17

2

0

1579

23,06

0

1351,4

30,59

3

0

310,27

6,89

0

33,32

0,04

4

0

2,22

0,13

0

8,42

0,41

5

0

14,63

0,04

0

11,91

3,15

6

0

1,13

0,44

0

2108,5

74,78

Tabela 5.2. Wartości nacisków na poszczególnych zagłębieniach – napędy 11-rzędowe Napęd

11-rzędowy nowy

Zagłębienie

Minimum

Maksimum

Średnia

11-rzędowy zużyty Minimum

Maksimum

Średnia

1

0

5045,7

210,52

0

3812,5

296,82

2

0

4431,7

99,17

0

5270,2

225,73

3

0

1202,5

11,21

0

1972

118,83

4

0

42,3

1,34

0

588,49

6,04

5

0

19,80

0,17

0

334,72

1,35

6

0

1,3

0,0013

0

10,24

0,16

Na rys. 5.12 i 5.13 zaprezentowano dane z tabel 5.1 i 5.2. Widoczna jest liniowość rozkładu nacisków w napędach 11-rzędowych oraz wzrost wartości nacisków w przypadku porównania napędów nowych i zużytych.

57

Nacisk średni na powierzchni styku rolka - zagłębienie [MPa]

300

250

200

150

100

50

0 0

1

2

3

4

5

6

Kolejne zagłębienia 8n

8z

11n

11z

Nacisk średni na powierzchni styku rolka zagłębienie [MPa]

Rys. 5.12. Porównanie rozkładu średnich nacisków na poszczególnych zagłębieniach

1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0

1

2

3

4

5

6

Kolejne zagłębienia 8n

8z

11n

11z

Rys. 5.13. Porównanie rozkładu średnich nacisków na poszczególnych zagłębieniach – oś pionowa ze skalą logarytmiczną

58

5.3 Położenie rolek Na rys. od 5.14 do 5.18 widoczne jest położenie rolek względem zagłębień w początkowej (czarny kontur) i końcowej (przezroczysty zarys bryły) fazie rozwiązywania zadania przez program. Przesunięcie rolki ku górze pod wpływem napięcia łańcucha jest odpowiednikiem skłonności prawdziwego łańcucha do przeskoczenia o jeden ząb (i charakterystycznego tzw. „strzału” napędu) podczas zbyt mocnego naciśnięcia na pedał. Zgodnie z rzeczywistością, zjawisko to jest zdecydowanie bardziej widoczne w napędach z łańcuchami zużytymi [11].

Rys. 5.14. Położenie rolki w zagłebieniu przed i po obliczeniach – napęd 8-rzędowy nowy

59

Rys. 5.15. Położenie rolki w zagłebieniu przed i po obliczeniach – napęd 8-rzędowy zużyty

Rys. 5.16. Położenie rolki w zagłebieniu przed i po obliczeniach – napęd 11-rzędowy zuzyty

60

Rys. 5.17. Położenie rolek w zagłębieniach przed i po obliczeniach – napęd 11-rzędowy zuzyty

5.4 Przemieszczenia Na rys. od 5.18 do 5.23 pokazano sumaryczne wartości przemieszczeń w końcowej fazie symulacji. Ze względu na niewielkie wartości, służą one w większym stopniu do

zweryfikowania

poprawności

przeprowadzonych

obliczeń.

Warto

zwrócić

uwagę

na nietypowe oznakowanie przemieszczenia na rolkach w postaci pasków, wynika ono z obrotu rolki względem punktu styku z kołem łańcuchowym oraz (w mniejszym stopniu) z odsunięcia rolki opisanego w poprzednim podrozdziale.

61

Rys. 5.18. Całkowite przemieszczenie – napęd 8-rzędowy nowy

Rys. 5.19. Całkowite przemieszczenie – napęd 11-rzędowy nowy

62

Rys. 5.20. Całkowite przemieszczenie – napęd 8-rzędowy zużyty

Rys. 5.21. Całkowite przemieszczenie – napęd 8-rzędowy zużyty

63

Rys. 5.22. Całkowite przemieszczenie – napęd 11-rzędowy zużyty

Rys. 5.23. Całkowite przemieszczenie – napęd 11-rzędowy zużyty

64

5.5 Odkształcenia plastyczne końcówek pinów Jednym z wartych uwagi wyników analizy są odkształcenia plastyczne pinów wynikające z ich wcisku w blaszki zewnętrzne łańcucha. Na rys. 5.24 za pomocą narzędzia sondy pokazano wartości naprężeń zredukowanych. Na pinach widoczne są wyraźne kontury powierzchni wewnętrznych otworów blaszek oraz wartości naprężeń powyżej granicy plastyczności stali, z której wykonywane są elementy łańcuchów [14]. To samo odkształcenie plastyczne obserwujemy w rzeczywistości, a jego skutkiem jest delikatne wgniecenie widoczne na wykresie z profilografu próbki kontrolnej (rys. 2.20), a więc nowego pina.

Rys. 5.24. Naprężenia zredukowane i ich wybrane lokalne wartości na powierzchniach walcowych pinów

65

6. Wnioski Wyniki badań prowadzącą do poniżej przedstawionych wniosków. 6.1 Porównanie napędów nowych i zużytych 6.1.1 Wartości nacisków Wraz ze zużyciem łańcucha na pierwszych zagłębieniach od strony gałęzi czynnej naciski znacząco rosną, a na kolejnych albo rosną albo częściowo rosną, a częściowo maleją co jest skutkiem nierównomiernej podziałki łańcucha i skutkuje nieliniowym rozkładem naprężeń. 6.1.2 Rozkład nacisków Wraz ze zużyciem łańcucha rozkład nacisków staje się mniej liniowy, co również jest skutkiem nierównomiernej podziałki łańcucha. Skutkiem takiego rozkładu jest przyspieszenie zużycia elementów oraz skłonność łańcucha do przeskakiwania pod dużym obciążeniem. 6.2 Porównanie napędów 8-rzędowych i 11-rzędowych 6.2.1 Wartości nacisków Zgodnie z założoną tezą wartości nacisków w napędach 11-rzędowych są znacznie większe niż w napędach 8 rzędowych ze względu na występujące podobne siły, ale mniejsze wymiary, a w konsekwencji mniejsze powierzchnie elementów przenoszące obciążenia. 6.2.2 Rozkład nacisków W napędach 11-rzędowych rozkład nacisków jest bardziej liniowy niż w napędach 8-rzędowych, nawet porównując dwa napędy zużyte. W napędach 8-rzędowych, nawet gdy są fabrycznie nowe, rozkład nacisków jest mniej liniowy. 6.3 Eksploatacja i wymiana części Jednym z celów niniejszej pracy było zweryfikowanie kryteriów kwalifikacji do wymiany napędów. Z przeprowadzonych badań wynika, że napędy 11-rzędowe dzięki lepszemu dopasowaniu, są nawet bardziej odporne na pracę w warunkach zużycia niż napędy 8-rzędowe. Wobec powyższego kryterium wymiany łańcucha 8-rzędowego przy rozciągnięciu 0.75% jest jak najbardziej zasadne, natomiast wymiana łańcucha 11-rzędowego przy rekomendowanym rozciągnięciu na poziomie 0.50% zakłada duży margines bezpieczeństwa.

66

7. Podsumowanie Badania przeprowadzone w ramach niniejszej pracy doprowadziły do następujących wniosków: •

Napędy zużyte są bardziej obciążone od napędów nowych;

•

Napędy zużyte cechuje mniej liniowy rozkład naprężeń;

•

Napędy 11-rzędowe są bardziej obciążone od napędów 8-rzędowych (ogólnie);

•

Napędy 11-rzędowe cechuje bardziej liniowy rozkład naprężeń względem napędów 8-rzędowych niezależnie od zużycia;

•

Obecne praktyki serwisowe dotyczące kryteriów oceny zużycia łańcuchów i ich kwalifikacji do wymiany są zasadne, natomiast w przypadku napędów 11-rzędowych zakładają duży margines bezpieczeństwa

W przypadku kontynuacji prac nad tematem należy dokładnie zbadać geometrię podcięć na rolki w kołach łańcuchowych i porównać ją między czołowymi producentami napędów rowerowych. Ponadto zaleca się przebadanie łańcuchów o innych liczbach rzędów (np. 9, 10, 12) oraz badania napędów różnych producentów w rożnym stanie zużycia.

67

8. Wykaz literatury [1]

Johnson R.: Belt-drive bikes could be a game-changer for commuters, Momentum, 2021, https://momentummag.com/belt-drive-bikes-could-be-a-game-changer-for-commuters/ (data dostępu 4.09.2022 r.)

[2]

Sidwells C.: Bike repair manual, Penguin Random House, Londyn, 2021

[3]

Lalik M.: Napęd 1x10, 1enduro, 2015 https://www.1enduro.pl/naped-1x10/ (data dostępu 4.09.2022 r.)

[4]

ISO 9633:2001

[5]

Rome D.: How to know when it’s time to replace your bicycle chain, BikeRadar, 2016 https://www.bikeradar.com/features/how-to-know-when-its-time-to-replace-your-bicyclechain/ (data dostępu 4.09.2022 r.)

[6]

Mari C.: A Business History of the Bicycle Industry: Shaping Marketing Practices, Springer Nature Switzerland, Cham, 2021

[7]

ParkTool Repair Help: When to Replace a Worn Chain, 2017 https://www.parktool.com/en-int/blog/repair-help/when-to-replace-a-chain-on-a-bicycle (data dostępu 5.09.2022 r.)

[8]

Humphries D.: How Long Does a Mountain Bike Chain Last?, DIY Mountain Bike https://www.diymountainbike.com/how-long-does-a-mountain-bike-chain-last/ (data dostępu 5.09.2022 r.)

[9]

Shimano Specifications & Technical Documents, wersja 3.2, aktualizacja 12.07.2022 https://productinfo.shimano.com/#/spec (data dostępu 4.09.2022 r.)

[10] American Chain Association: Standard Handbook of Chains: Chains for Power Transmission and Material Handling, CRC Press, Boca Raton, 2005 [11] Ansys Learning: Computational Resources Considerations - Ansys Innovation Course https://www.youtube.com/playlist?list=PLtt6-ZgUFmMJh95MEMRz3q8pAu3itGXTD (data dostępu 11.09.2022 r.) [12] Skoć A., Kwaśny M., Spałek J.: Podstawy Konstrukcji Maszyn, Tom 3, WNT, Warszawa, 2018 [13] Shaddy W.: That Alarming Chain Skip, i love bicycling, 2015 https://ilovebicycling.com/that-alarming-chain-skip/ (data dostępu 4.09.2022 r.) [14] Kozak B.: Mechanika Techniczna, WSiP, Warszawa, 2004 [15] Kamada K., Yamazaki A.: Bicycle Sprocket Arrangement, United States Patent Application Publication No. US 2020/0140033 A1, 2020 [16] Ansys Help https://ansyshelp.ansys.com (data dostepu 11.09.2022 r.) [17] Ansys Mechanical APDL Contact Technology Guide, wersja 18.2, 2017 [18] Wilson D. G.: Bicycling Science, MIT Press, Cambridge, 2004

68

9. Wykaz rysunków RYS. 2.1. RYSUNEK ZŁOŻENIOWY ŁAŃCUCHA ROWEROWEGO.................................................................................. 8 RYS. 2.2. RYSUNKI POSZCZEGÓLNYCH ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA – NUMERY ELEMENTÓW ZGODNE Z RYS. 2.1. ...................... 9 RYS. 2.3. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE ŁAŃCUCHY WYBRANE JAKO PRÓBKI DO BADAŃ A) 8-RZĘDOWY NOWY B) 8-RZĘDOWY ZUŻYTY C) 11-RZĘDOWY NOWY D) 11-RZĘDOWY ZUŻYTY ..................................................................................... 10 RYS. 2.4. ZDJĘCIE MIKROSKOPOWE PRZEDSTAWIAJĄCE FRAGMENT ŁAŃCUCHA 11-RZĘDOWEGO NOWEGO ....................... 10 RYS. 2.5. SCHEMAT ODDZIAŁYWAŃ I MECHANIZMÓW ZUŻYCIA W ŁAŃCUCHACH........................................................ 11 RYS. 2.6. SZKIC WYTARĆ NA PINACH A) RZUTY B) WIDOK IZOMETRYCZNY ................................................................. 12 RYS. 2.7. ZDJĘCIE Z MIKROSKOPU PRZEDSTAWIAJĄCE WYTARCIA NA PINIE Z JEDNEGO Z BADANYCH ZUŻYTYCH ŁAŃCUCHÓW

12

RYS. 2.8. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE EKSTREMALNY PRZYPADEK WYTARCIA PINA ...................................................... 13 RYS. 2.9. SZKIC WYTARĆ NA ROLKACH A) ŁAŃCUCH 8-RZĘDOWY, B) ŁAŃCUCH 11-RZĘDOWY ......................................... 13 RYS. 2.10. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE WYTARCIA NA ROLCE ŁAŃCUCHA ZUŻYTEGO .................................................... 14 RYS. 2.12. SZKIC WIELKOŚCI MIERZONYCH ....................................................................................................... 15 RYS. 2.13. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE GŁOWICĘ POMIAROWĄ PROFILOGRAFU ......................................................... 17 RYS. 2.14. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE INTERFEJS PROGRAMU STERUJĄCEGO PROFILOGRAFEM ..................................... 17 RYS. 2.15. WYJAŚNIENIE OZNACZEŃ POMIARÓW PINÓW ..................................................................................... 19 RYS. 2.16. PROFIL POWIERZCHNI PINU, ŁAŃCUCH ZUŻYTY 8-RZĘDOWY, SERIA 1 ......................................................... 21 RYS. 2.17. PROFIL POWIERZCHNI PINU, ŁAŃCUCH ZUŻYTY 8-RZĘDOWY, SERIA 2 ......................................................... 21 RYS. 2.18. PROFIL POWIERZCHNI PINU, ŁAŃCUCH ZUŻYTY 11-RZĘDOWY, SERIA 1........................................................ 22 RYS. 2.19. PROFIL POWIERZCHNI PINU, ŁAŃCUCH ZUŻYTY 11-RZĘDOWY, SERIA 2........................................................ 22 RYS. 2.20. PROFIL POWIERZCHNI PINU, ŁAŃCUCH NOWY, POMIAR KONTROLNY ......................................................... 23 RYS. 3.1. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY MODELE ZUŻYTYCH PINÓW - WIDOK IZOMETRYCZNY A) PIN ŁAŃCUCHA 11RZĘDOWEGO B) PIN ŁAŃCUCHA 8-RZĘDOWEGO ................................................................................................ 24 RYS. 3.2. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY MODELE ZUŻYTYCH PINÓW - WIDOK NA MIERZONY PROFIL A) PIN ŁAŃCUCHA 11RZĘDOWEGO B) PIN ŁAŃCUCHA 8-RZĘDOWEGO ................................................................................................ 25 RYS. 3.3. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY MODELE ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA A) BLASZKA WEWNĘTRZNA ŁAŃCUCHA 11RZĘDOWEGO ZUŻYTEGO B) ROLKA ŁAŃCUCHA 11-RZĘDOWEGO ZUŻYTEGO C) BLASZKA ZEWNĘTRZNA ŁAŃCUCHA 8RZĘDOWEGO NOWEGO D) PIN ŁAŃCUCHA 8-RZĘDOWEGO NOWEGO ...................................................................... 25 RYS. 3.4. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE KOŁA ŁAŃCUCHOWE UŻYTE JAKO PIERWOWZÓR MODELI – STRONA ZEWNĘTRZNA A) Z ŁAŃCUCHA 8-RZĘDOWEGO B) Z ŁAŃCUCHA 11-RZĘDOWEGO ................................................................................ 26 RYS. 3.5. ZDJĘCIE PRZEDSTAWIAJĄCE KOŁA ŁAŃCUCHOWE UŻYTE JAKO PIERWOWZÓR MODELI – STRONA WEWNĘTRZNA A) Z ŁAŃCUCHA 8-RZĘDOWEGO B) Z ŁAŃCUCHA 11-RZĘDOWEGO ................................................................................ 26 RYS. 3.6. ZRZUT EKRANY PRZEDSTAWIAJĄCY MODELE KÓŁ ŁAŃCUCHOWYCH A) 11-RZĘDOWE B) 8-RZĘDOWE .................... 27 RYS. 3.7. GEOMETRIA PODCIĘCIA POD ROLKĘ NA MODELU KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO .................................................... 27 RYS. 3.8. PIERWSZA WERSJA MODELU ZŁOŻENIA NAPĘDU A) RZUT Z OBJAŚNIENIAMI B) WIDOK IZOMETRYCZNY DOPASOWANY DO RYSUNKU ........................................................................................................................................... 29

............ 30 ................ 32 RYS. 4.2. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁOWE USTAWIENIA OBLICZEŃ .................................................. 33 RYS. 3.9. OSTATECZNA WERSJA MODELU ZŁOŻENIA NAPĘDU A) RZUT Z OBJAŚNIENIAMI B) WIDOK IZOMETRYCZNY RYS. 4.1. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁU PRZYPISANEGO DO WSZYSTKICH BRYŁ

RYS. 4.3. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY UTWIERDZENIA ODPOWIADAJĄCEGO OPARCIU KOŁA ŁAŃUCHCOWEGO O BĘBENEK PIASTY ............................................................................................................. 34 RYS. 4.4. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZMIESZCZENIA ZEROWEGO POWIERZCHNI ZEWNĘTRZNYCH ELEMENTÓW ŁAŃUCHCA NA BOKI – WZDŁUŻ OSI Z ............................................................................................ 35 RYS. 4.5. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY UTWIERDZENIA ODPOWIADAJĄCEGO NAPIĘCIU ŁAŃUCHA WÓZKIEM PRZERZUTKI – ZADANIE Z NAPĘDEM NOWYM ................................................................................................... 36 RYS. 4.6. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZEMIESZCZENIA ODPOWIADAJĄCEGO NAPIĘCIU ŁAŃUCHA WÓZKIEM PRZERZUTKI – ZADANIE Z NAPĘDEM ZUŻYTYM .................................................................................... 37 RYS. 4.7. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZEMIESZCZENIA ZEROWEGO SŁUŻACEGO STOPNIOWEMU ODPUSZCZANIU KOLEJNYCH OGNIW ŁAŃCUCHA – PRZMIESZCZENIE 1. .................................................................... 38 RYS. 4.8. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZEMIESZCZENIA ZEROWEGO SŁUŻACEGO STOPNIOWEMU ODPUSZCZANIU KOLEJNYCH OGNIW ŁAŃCUCHA – PRZMIESZCZENIE 3. .................................................................... 39 RYS. 4.9. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZEMIESZCZENIA ZEROWEGO SŁUŻACEGO STOPNIOWEMU ODPUSZCZANIU KOLEJNYCH OGNIW ŁAŃCUCHA – PRZMIESZCZENIE 5. .................................................................... 40 RYS. 4.10. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY SIŁY NAPINAJĄCEJ ŁAŃCUCH ............................................... 41 RYS. 4.11. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PRZEMIESZCZENIA ZEROWEGO POWIERZCHNI CZOŁOWYCH ROLEK NA BOKI – WZDŁUŻ OSI Z ............................................................................................................................ 42 RYS. 4.12. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PAR KONTATKOWYCH ....................................................... 43 RYS. 4.13. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY GEOMETRIĘ ZAGŁĘBIENIA NA ROLKĘ W KOLE ŁAŃUCHOWYM ..................... 44

69

4.14. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY DWIE POWIERZCHNIE KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO WŁĄCZONE W PARĘ KONTAKTOWĄ ROLKA – KOŁO ŁAŃCUCHOWE ...................................................................................................................... 45 RYS. 4.15. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY SZCZEGÓŁY PARY KONTAKTOWEJ ROLKA – KOŁO ŁAŃCUCHOWE ................. 45 RYS. 4.16. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY PODZIAŁ NA ELEMENTY SKOŃCZONE CAŁEGO MODELU ZŁOŻENIA ............... 46 RYS. 4.17. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY GLOBALNE USTAWIENIA ROZMIARU ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DLA WSZYSTKICH PAR KONTAKTOWYCH Z WYŁĄCZENIEM PAR ROLKA – KOŁO ŁAŃCUCHOWE ............................................. 47 RYS. 4.18. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY PODZIAŁ NA ELEMENTY SKOŃCZONE BLASZKI ZEWNĘTRZNEJ – STRONA KONTAKTU Z BLASZKĄ WEWNĘTRZNĄ ............................................................................................................ 47 RYS. 4.19. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY USTAWIENIA ROZMIARU ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DLA WSZYSTKICH PAR KONTAKTOWYCH ROLKA – KOŁO ŁAŃCUCHOWE ............................................................................................... 48 RYS. 4.20. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY PODZIAŁ NA ELEMENTY SKOŃCZONE POWIERZCHNI KOŁA ŁAŃUCHCOWEGO ODBIERAJĄCEJ NACISK OD ROLKI PO NAPIĘCIU ŁAŃCUCHA .................................................................................. 49 RYS. 4.21. ZRZUT EKRANU PRZEDSTAWIAJĄCY PODZIAŁ NA ELEMENTY SKOŃCZONE ROLKI ........................................... 49 RYS. 5.1. ROZKŁAD NACISKÓW NA DWÓCH PIERWSZYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 8-RZĘDOWY NOWY

51 RYS. 5.2. ROZKŁAD NACISKÓW NA POZOSTAŁYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 8-RZĘDOWY NOWY ..... 52 RYS. 5.3. ROZKŁAD NACISKÓW NA KRAWĘDZI STYKU DWÓCH POWIERZCHNI ZAGŁĘBIENIA NA ROLKĘ W KOLE ŁAŃCUCHOWYM – NAPĘD 8-RZĘDOWY NOWY........................................................................................................................ 52 RYS. 5.4. ROZKŁAD NACISKÓW NA DWÓCH PIERWSZYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY

53 RYS. 5.5. ROZKŁAD NACISKÓW ZAGŁĘBIENIACH OD 2. DO 5. KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY ............ 53 RYS. 5.6. ROZKŁAD NACISKÓW NA OSTATNIM ZAGŁĘBIENIU KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY ............ 54 RYS. 5.7. ROZKŁAD NACISKÓW NA DWÓCH PIERWSZYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 11-RZĘDOWY NOWY ................................................................................................................................................... 54 RYS. 5.8. ROZKŁAD NACISKÓW NA POZOSTAŁYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 11-RZĘDOWY NOWY .... 55 RYS. 5.9. ROZKŁAD NACISKÓW NA DWÓCH PIERWSZYCH ZAGŁĘBIENIACH KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUŻYTY .................................................................................................................................................. 55 RYS. 5.10. ROZKŁAD NACISKÓW NA ZAGŁĘBIENIACH OD 2. DO 4. KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUŻYTY ..... 56 RYS. 5.11. ROZKŁAD NACISKÓW NA ZAGŁĘBIENIACH 5. I 6. KOŁA ŁAŃCUCHOWEGO – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUŻYTY ............. 56 RYS. 5.12. PORÓWNANIE ROZKŁADU ŚREDNICH NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZAGŁĘBIENIACH ................................ 58 RYS. 5.13. PORÓWNANIE ROZKŁADU ŚREDNICH NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZAGŁĘBIENIACH – OŚ PIONOWA ZE SKALĄ LOGARYTMICZNĄ ..................................................................................................................................... 58 RYS. 5.14. POŁOŻENIE ROLKI W ZAGŁEBIENIU PRZED I PO OBLICZENIACH – NAPĘD 8-RZĘDOWY NOWY............................. 59 RYS. 5.15. POŁOŻENIE ROLKI W ZAGŁEBIENIU PRZED I PO OBLICZENIACH – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY ........................... 60 RYS. 5.16. POŁOŻENIE ROLKI W ZAGŁEBIENIU PRZED I PO OBLICZENIACH – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUZYTY .......................... 60 RYS. 5.17. POŁOŻENIE ROLEK W ZAGŁĘBIENIACH PRZED I PO OBLICZENIACH – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUZYTY ...................... 61 RYS. 5.18. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 8-RZĘDOWY NOWY ................................................................... 62 RYS. 5.19. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 11-RZĘDOWY NOWY.................................................................. 62 RYS. 5.20. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY .................................................................. 63 RYS. 5.21. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 8-RZĘDOWY ZUŻYTY .................................................................. 63 RYS. 5.22. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUŻYTY ................................................................ 64 RYS. 5.23. CAŁKOWITE PRZEMIESZCZENIE – NAPĘD 11-RZĘDOWY ZUŻYTY

................................................................ 64

RYS. 5.24. NAPRĘŻENIA ZREDUKOWANE I ICH WYBRANE LOKALNE WARTOŚCI NA POWIERZCHNIACH WALCOWYCH PINÓW .. 65

10. Wykaz tabel TABELA 2.1. WYNIKI POMIARÓW PRÓBEK ....................................................................................................... 16 TABELA 2.2. ZESTAWIENIE POMIARÓW ........................................................................................................... 19 TABELA 4.1. DANE ZADAŃ ........................................................................................................................... 50 TABELA 5.1. WARTOŚCI NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZAGŁĘBIANIACH – NAPĘDY 8-RZĘDOWE ................................ 57 TABELA 5.2. WARTOŚCI NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZAGŁĘBIENIACH – NAPĘDY 11-RZĘDOWE ............................... 57

70