1 Конструкторский раздел
1.1 Техническое задание
Наименование и область применения.
Наименование изделия: датчик засоренности воздушного фильтра
Основание для разработки.
Техническое задание на проектирование ООО «Восток-Амфибия»”.
Цель и назначение разработки.
Целью разработки является проектирование изделия датчика засоренности воздушного фильтра.
Назначение разработки: датчик засоренности воздушного фильтра предназначен для информирования водителя о загрязненности фильтрующего элемента воздушного фильтра.
Технические требования, предъявляемые к проектированию:
Устройство сборки датчика засоренности воздушного фильтра должно состоять из: корпуса, штуцера, крышки, индикатора, пружины, кнопки и мембраны.
Таблица 1 ? Технические характеристики разрабатываемого устройства
Технические характеристики
Габаритные размеры, мм, не более 40х60
Масса, г, не более 50
Присоединительная резьба M16x1,5-6g
Размер под гаечный ключ S22
Количество изделий в автомобиле,шт 1
Условия эксплуатации:
Допустимая температура эксплуатации от -40?С до +120?С;
Разрежение срабатывания (вакуум) 8±0,5 кПа;
Рабочая среда – воздух, незначительно количество паров масла и топлива;
Конструкция датчика должна быть герметичной в диапазоне давления от -0,5 бар до +0,5 бар;
Коррозионная стойкость металлических деталей – не менее 500 ч. соляного тумана;
Характеристики внешнего вида:
По внешнему виду изделие должно соответствовать дизайн-проекту и отрабатываться на этапе виртуального проекта и опытных образцов. Внешний вид детали должен соответствовать утвержденному контрольному образцу;
Внешний вид изделия не должен содержать царапин, вмятин, разводов, утяжек и дефектов сварки на лицевой поверхности;
Выход материала при сварке должен быть в частично видимых зонах, либо в полностью невидимых зонах.
Требования к применяемым материалам с учетом конструкции (прочность, теплостойкость и т.д.):
Материалы, используемые при разработке компонентов датчика засоренности воздушного фильтра должны обеспечивать безусловное соответствие готового изделия данным технических требований в указанных условиях эксплуатации (температура, внешняя среда, рабочая среда) при выполнении целевых затрат на изготовление;
Материалы, конструктивно заложенные для изготовления деталей должны иметь минимальную стоимость;
Должны обеспечивать жесткость и прочность конструкции с учетом условий и режимов эксплуатации;
Должны обеспечивать возможность получения деталей с минимальными геометрическими отклонениями;
Полимерные материалы должны обладать скоростью горения не более 100мм/мин; не загоревшиеся за 30 секунд от пламени горелки, погасшие, не догорев до начала мерной базы.
Полимерные материалы должны соответствовать требованиям по уровню запаха согласно ИСО 270;
Металлические детали изделия должны быть коррозионностойкими в течении всего срока эксплуатации автомобиля;
Материалы должны удовлетворять требованиям по ограничению применения тяжелых металлов (свинца, ртути, кадмия, шестивалентного хрома) в материалах и покрытиях;
Материалы, применяемые в конструкции изделия должны соотвествовать требованиям экологической безопасности, термостойкости, износостойкости.
Функциональные требования:
При срабатывании индикатора в окне должен быть сектор красного цвета. Сброс осуществляется нажатием кнопки;
При эксплуатации изделия не должно возникать нефункциональных шумов, вибраций, стуков, скрипов;
Должна быть исключена возможность самопроизвольного нажатия кнопки под действием вибрации во время движения автомобиля по дорогам общего пользования.
Требования к технологичности:
Изделие датчик засоренности воздушного фильтра должно соответствовать требованиям технологичности в условиях крупносерийного производства;
Детали должны изготавливаться при помощи имеющегося в ООО «Восток-Амфибия» оборудования.
Требования безопасности.
При эксплуатации, ремонте и техническом обслуживании изделие должно быть полностью безопасным.
При ремонте устройства необходимо соблюдать следующие требования безопасности:
ГОСТ 12.3.019-80;
ГОСТ 12.1.004-91.
Экономический показатель.
Лимитная цена – 100 руб.
1.2 Актуальность разработки
Разработка и производство датчика засоренности воздушного фильтра в ООО «Восток – Амфибия» позволит развивать новое направление в производстве деталей фильтрующих элементов автомобиля и поиску новых заказов в данном направлении.
Датчик используется для большегрузных машин, тракторов и сельскохозяйственных машин, автомобилей эксплуатируемых в пустынно-засушливой среде с повышенным содержанием пыли, которая со временем забивает воздушной фильтр автомобиля. В отличии от автомобилей эксплуатируемых в городской среде, у которых замена воздушного фильтра происходит примерно каждые 20 000 км, у автомобилей эксплуатируемых в среде с повышенном содержании пыли, нет зависимости загрязнения воздушного фильтра от пройденных километров. В таких условиях эксплуатации воздушный фильтр может забиться как за 2000 так и за 10000 км, поэтому отследить время замены фильтра сложнее. Именно по этим причинам разработка датчика засоренности воздушного фильтра очень актуальна.
1.3 Область применение и назначение
Датчик засоренности воздушного фильтра предназначен для информирования водителя о загрязненности фильтрующего элемента воздушного фильтра.
Устройство хранения одежды состоит из:
корпуса;
крышки;
индикатора;
пружины;
мембраны
штуцера
кнопки.
Рисунок 1 – 3D модель датчика засоренности воздушного фильтра: 1 – кнопка; 2 – крышка; 3 – корпус; 4 – штуцер; 5 – индикатор; 6 – мембрана с пружиной.
Чертежи кнопки, крышки, корпуса, штуцера, индикатора представлены в приложении 1-5 соответственно.
Датчик засоренности воздушного фильтра устанавливается в воздуховод между корпусом воздушного фильтра и двигателем (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема монтажа датчика засоренности воздушного фильтра в воздуховод
Сборочный чертеж датчика засоренности воздушного фильтра предоставлен в приложении 6.
1.4 Принцип работы
Датчик работает по принципу сигнализатора о загрязнении воздушного фильтра и устанавливается в воздуховод, куда непосредственно поступает весь отфильтрованный внешний воздух. Когда воздушный фильтр засорился, в корпусе фильтра создается разряжение. Внутри датчика срабатывает индикатор, путем всасывания мембраны с индикатором из-за нехватки воздуха. Как только индикатор полностью закрывает окно индикатора, он на этом моменте фиксируется, что сигнализирует водителя о немедленной замене фильтра. После замены, сброс индикатора осуществляется путем нажатия кнопки. После нажатия кнопки индикатор под действием пружины возвращается в исходное положение.
1.5 Выбор материала для производства пластмассовых деталей
При выборе материала следует обратить внимание на эксплуатационные требования к изделию: температура эксплуатации как минимальная, так и максимальная, продолжительность воздействия температуры, воздействие окружающей среды, требования к точности, предельные значения механических нагрузок и другие.
Разрабатываемый датчик засоренности воздушного фильтра должен соответствовать следующим требованиям:
датчик засоренности воздушного фильтра должен выдерживать воздействие соляного тумана по ГОСТ 9.308 в течение (96±0,5) часов. Наличие следов коррозии на металлических поверхностях не допускается;
датчик засоренности воздушного фильтра должен выдерживать испытания на вибропрочность с частотой 50 Гц, ускорением 10g по любой из осей в течении 8 часов;
датчик засоренности воздушного фильтра должен выдерживать испытание на стабильность размеров при воздействии температуры окружающего воздуха (+125±2)?С в течение 24 ч.
изменение геометрических размеров не должно превышать 0,5%;
датчик засоренности воздушного фильтра должен выдерживать воздействие циклически меняющихся температур от минус 40?С до плюс 120?С в течение 1000 ч.
цвет, фактура и твердость поверхностей деталей не должны изменяться при попадании на них масла, охлаждающей жидкости или бензина.
Датчик засоренности воздушного фильтра должен быть стоек к моторному маслу и картерным газам, и рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающей воздуха (-40?; +45?) и влажности 90% при температуре +27?.
Выбор материала производится на основе технико-экономической оценки: качество изделия, производительность процесса и его минимальная стоимость.
На основе выше перечисленных требований, которыми должен обладать материал, рассмотрим Kocetal K500.
Kocetal K500 – полимер обладающий высоким соотношением прочности и упругости, а также, благодаря подвижности макромолекул, обладает хорошим сопротивлением к усталостным нагрузкам, деформации и истиранию. Детали изготовленные из данного материала обладают гладкой поверхностью с эффектом самосмазки, что позволяет снизить нагрузки при трении. В таблице 2 представлены характеристики материала полиамид марки Kocetal K500.
Таблица 2 – Основные характеристики Kocetal K500
Плотность, г/см? 1,41
Тангенс угла диэлектрических потерь (1МГц) 0,006
Коэффициент трения 0,22
Температура плавления, ?С 166
Относительное удлинение при разрыве, % 50
Температура изгиба под нагрузкой 1,80 МПа, ?С 110
Изгибающие напряжение, МПа 215
Показатель текучести расплава, г/10 мин 14
Электрическая прочность, кВ/мм 19
Модуль упругости при изгибе, МПа 2600
Ударная вязкость по Изоду на образцах с надрезом, кДЖ/м? при +23?С 6,2
Удельное объемное электрическое сопротивление Ом*м 10*14
Влагопоглощение в воде максимальное, % 6,5
Усадка при литье, % 2
Диэлектрическая проницаемость (1МГц) 3,7
Водопоглощение,% (24ч/23?С) 0,22
Температура изгиба под нагрузкой 0,45 МПа,?С 158
Для детали корпуса подходящий материал рассмотрим Поликарбонат Carbotex PC K – 20 UVR.
Поликарбонат Carbotex PC K – 20 UVR – термопластический полимер, получаемый на основе бисфенола. Это твердое, аморфное, прозрачное вещество, выпускаемое в виде гранул. Для переработки поликарбоната используют практически все методы, которые используются для полимеров – экструзия, литье, а так же формовка волокон из расплавов.
Таблица 3 – Основные характеристики Поликарбонат Carbotex PC K – 20 UVR
Плотность, г/см? 1,2
Предел прочности при растяжении, МПа 60
Относительное удлинение при разрушении, % 95-120
Предел прочности при изгибе, МПа 95
Модуль упругости при изгибе, МПа 2250
Твердость по Роквеллу 95
Ударная вязкость по Изоду, с надрезом, кДж/м2 6,2
Максимальная температура эксплуатации, оС 120
Коэффициент линейного теплового расширения, м/м оС (6,5-7,0)*10-5
Температура размягчения по Вика, оС 150
Температура устойчивости под нагрузкой, оС (0,46 Мпа) 136-144
Температура устойчивости под нагрузкой, оС (1,8Мпа) 124-131
Воспламеняемость (DIN 4102) B1
Светопропускание, % (для прозрачных марок) 77-88
Таким образом, на основе выше перечисленных требований основным материалом для изготовления пластмассовых деталей крышка, индикатор, кнопка входящих в датчик засоренности воздушного фильтра, выбран полиамид марки Kocetal K500, а детали корпус – Поликарбонат Carbotex PC K – 20 UVR, учитывая эксплуатационные механические нагрузки, температурный режим, достаточно низкую цену.
1.6 Расчет параметров пружины, входящей в состав датчика засоренности воздушного фильтра
Для датчика засоренности воздушного фильтра выбрана пружина сжатия цилиндрическая прямая с двумя поджатыми витками [18].
Произведем расчет параметров пружины:
Исходные данные:
d = 0,5 мм – диаметр проволоки;
D1 = 17,5 мм – наружный диаметр пружины;
D2 = 16,5 мм – внутренний диаметр пружины;
D = 17 мм – средний диаметр пружины;
N =11 – число рабочих витков;
= 0,19 Н – сила пружины при предварительной деформации;
= 0,35 Н – сила пружины при рабочей деформации;
h = 4 мм – рабочий ход.
Относительный инерционный зазор пружины сжатия возьмем из таблицы. Для пружин сжатия классов I и II .
Найдем силу пружины при максимальной деформации по формуле:
(1.1)
возьмем равной 0,45 Н.
Индекс пружины равен:
, (1.2)
где d– диаметр проволоки;
D– средний диаметр пружины.
Коэффициент, учитывающий влияние на касательные напряжения поперечной силы и кривизны витков, вычислим по формуле:
, (1.3)
где i– индекс пружины.
Определим максимальное касательное напряжение пружины по формуле:
МПа, (1.4)
где F3 – сила пружины при максимальной деформации.
Напряжение в пружине при предварительной деформации определяется по формуле:
МПа, (1.5)
где – сила пружины при предварительной деформации.
Напряжение в пружине при рабочей деформации определяется по формуле:
МПа, (1.6)
где – сила пружины при рабочей деформации.
Критическая скорость пружины сжатия определяется по формуле:
, (1.7)
где G – модуль сдвига, МПа (для пружинной стали МПа);
- динамическая (гравитационная) плотность материала, кг/м3.
Вычислим жесткость пружины по формуле:
H/мм, (1.8)
где h – рабочий ход пружины.
Предварительную деформацию пружины вычислим по формуле:
мм , (1.9)
где – сила пружины при предварительной деформации.
Рабочую деформацию пружины определим по формуле:
мм , (1.10)
где – сила пружины при рабочей деформации.
Максимальную деформацию пружины вычислим по формуле:
мм , (1.11)
где – сила пружины при максимальной деформации.
Определим длину пружины при максимальной деформации по формуле:
мм , (1.12)
где – полное число витков;
– число обработанных витков.
Длина пружины в свободном состоянии определяется по формуле:
мм , (1.13)
где – максимальная деформация пружины.
Длина пружины при предварительной деформации будет равна:
мм , (1.14)
Определим длину пружины при рабочей деформации:
мм , (1.15)
где - рабочая деформация пружины.
Коэффициент, учитывающий кривизну витка пружины, определяется по формуле:
, (1.16)
где – индекс пружины.
Максимальная деформация одного витка пружины вычисляется по формуле:
мм, (1.17)
где G – модуль сдвига, МПа (для пружинной стали ).
Жесткость одного витка определяется по формуле:
, (1.18)
где – максимальная деформация пружины.
Максимальная энергия, накапливаемая пружиной, или работа деформации находится по формуле:
, (1.19)
где – сила пружины при максимальной деформации;
– максимальная деформация пружины.
Полученные значения позволяют утверждать о том, что пружина датчика засоренности воздушного фильтра удовлетворяет необходимым требованиям и подходит для установки в разрабатываемое изделие.
