Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Пример одного из стендов представлен на рисунке ниже (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Учебный стенд станков с ЧПУ

2.3 Постановка задачи ВКР

2.3.1 Назначение стенда и его роль в учебном процессе

Стенд предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплине «Техническое обслуживание двигателей, систем и агрегатов автомобилей».

Студен выполнявший лабораторную работу на стенде «Процесс работы ДВС с использованием визуализации» должен изучить принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

2.3.2 Технические данные стенда и условия эксплуатации

Технические характеристики:

• напряжение питания, 220В;

• род тока: Переменный;

• частота сети, Гц 50;

• максимальный ток нагрузки, А 2;

• максимальная потребляемая мощность, 200 Вт;

• габаритные размеры, 160х60 см;

• ширина 60 см;

• длина 50 см;

• высота 160 см;

• масса, кг, не более 30.

Температура окружающего воздуха не должна превышать 40°С, а ее среднесуточное значение не должна превышать 35°С.

Нижний предел температуры окружающего воздуха минус 5°С.

Относительная влажность воздуха не должна превышать 50% при максимальной температуре 40°С. Более высокая относительная влажность может допускаться при более низких температурах, например 90% при 20°С. Могут потребоваться специальные меры в случаях конденсации из-за колебаний температуры.

2.3.3 Описание работы стенда

Студент, выполняющий работу вращает ручку, прикрепленную к коленчатому валу, наблюдает за работой блока цилиндров ДВС. Затем наблюдает за визуализацией работы ДВС на экране монитора. Визуализация зависит от текущего положения коленчатого вала. Учащийся описывает принцип работы ДВС после чего делает выводы.

3 СОЗДАНИЕ УЧЕБНОГО СТЕНДА

3.1 Работа над трехмерной моделью ДВС и ее анимацией

Основой модели послужил 4-х цилиндровый двигатель внутреннего сгорания маркировки. Сперва были спроектированы детали сборки, представленные и пронумерованные в приложении А. Сборка начинается с конструктивных элементов.

Впускной/выпускной клапан (рисунок 3.1) состоит из впускного/выпускного клапана (рисунок A.6, A.7), направляющей клапана (рисунок A.18), пружины (рисунок A.26), стакана (рисунок A.29), тарелки (рисунок A.30) и шайбы (рисунок A.31).

Рисунок 3.1 – Впускной/выпускной клапан в сборе

Поршень (рисунок 3.2) состоит из 2-х вкладышей (рисунок А.5), крышки шатуна (рисунок А.15), маслосъемного кольца (рисунок А.16), верхнего и нижнего компрессионного кольца (рисунок А.3, А.19), пальца (рисунок А.20), головки поршня(рисунок А.25) и шатуна (рисунок А.32).

Рисунок 3.2 – Поршень в сборе

Головка блока цилиндров (рисунок 3.3) состоит из 4-х впускных и 4-х выпускных клапанов (рисунок 3.1), 8-ми седел клапана (по 4 для двух типов (рисунок А.28)), распредвала (рисунок А.27), шкива распредвала (рисунок А.36), крышки распредвала (рисунок А.14), сальника распредвала и головки блока цилиндров (рисунок А.8). Крышки распредвала и головка крепятся 10-ю болтами М8х28 ГОСТ 7798-70.

Рисунок 3.3 – Головка блока цилиндров в сборе

Помпа (рисунок 3.4) состоит из крыльчатки (рисунок А.13), шкива помпы (рисунок А.35), корпуса (рисунок А.12) и подшипника.

Рисунок 3.4 – Помпа в сборе

Передняя крышка (рисунок 3.5) состоит из шестеренки малой (рисунок А.33), шестеренки большой (рисунок А.34), передней крышки (рисунок А.23), патрубка (рисунок А.21), передний сальник (рисунок А.22).

Рисунок 3.5 – передняя крышка в сборе

Двигатель внутреннего сгорания в сборе (рисунок 3.6) состоит из головки блока цилиндров (рисунок 3.3), помпы (рисунок 3.4), передней крышки (рисунок 3.5), блока цилиндров (рисунок А.1), маховика (рисунок А.2, А.17), 5-ти вкладышей (рисунок А.4), задней крышки (рисунок А.10), заднего сальника (рисунок А.9), распредвала (рисунок А.11) и поддона (рисунок А.24).

Рисунок 3.6 – ДВС в сборе

Проектирование трехмерной теоретической модели 4-х цилиндрового двигателя внутреннего сгорания закончено.

После сборки модели в Компасе требуется сохранить сборку в STEP формате и импортировать в Autodesk Inventor, с последующей выгрузкой в STL формат и импортирования сборки в Autodesk 3D Max, в котором произведена визуализация с использованием плагина V-Ray (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Визуализация с помощью V-Ray

3.2 Разработка датчика на платформе Arduino

Рассмотрим работу Arduino с энкодером, который служит для преобразования угла поворота в эл. Сигнал. С энкодера получаем 2 сигнала (А и В), которые противоположны по фазе. Энкодер имеет 24 положения на один оборот (каждое положение 15°) [9]. На приведенной ниже диаграмме (рис 3.8) можено увидеть, как зависят выход А и В друг от друга при вращении энкодера по часовой или против часовой стрелки.

Рисунок 3.8 – Зависимость А и В от вращения энкодера

Каждый раз, когда сигнал А переходит от положительного уровня к нулю, мы считываем значение выхода В. Если В в этот момент находится в положительном состоянии, значит энкодер вращается по часовой стрелке, если В ноль, то энкодер вращается против часовой стрелки. Считывая оба выхода, мы при помощи микроконтроллера можем определить направление вращения, и при помощи подсчета импульсов с А выхода - угол поворота [8]. Конечно можно пойти еще дальше и при помощи вычисления частоты, можно определить насколько быстро происходит вращение энкодера.

Теперь нужно подключить энкодер к Arduino, используя следующую схему:

Рисунок 3.9 – схема подключение энкодера к Arduino

В схеме используется четыре резистора на 10 кОм, питание подается с 5 В входа два резистора на 0,01 мФ, заземление происходит через GND канал. Для считывания сигнала с выходов энкодера А и В используем пины 2 и 3 на плате [36]. На практике схема имеет вид, изображенный на рисунках ниже (рисунки 3.10 – 3.12).

Рисунок 3.10 – Подключенный Arduino Рисунок 3.11 – макетная плата без спаек

Рисунок 3.12 – макет устройства в сборе

После сборки макета была разработанна и распаянна плата, имеющяя 4 резистора, выход для заземления и питания (рисунки 3.13 – 3.15). Плата вырезана с помощью фрезы на станке с ЧПУ, благодоря загрузке схемы выполненной в Sprint Layout 6.0.

Рисунок 3.13 – Схема для платы

Рисунок 3.14 – Плата датчика вид снизу Рисунок 3.15– плата датчика вид сверху

В итоге получен датчик, закрепленный на пластинке из оргстекла, придающего устройству более приятный вид. Более того, в данном виде устройство удобно устанавливается на стенд, его возможно легко и быстро как монтировать, так и извлечь. Прозрачный материал оргстекла позволяет отчетливо различать оборотную сторону плат, что может быть полезно при работе с устройством, когда задача не требует разборки конструкции. Комуникации расположены сверху, что позволяет легко и быстро заменить соеденительные провода при их возможном повреждении. Следующим шагом стало написание небольшого по оъему программного обеспечения для прошивки котролера платы.

Рисунок 3.16 – Датчик на платформе Arduino

Для перобразования сигналов с энкодера в определенный кадр на экране компьютера требуется написать скетч для платы Arduino на языке C++(см. приложение Б) (рисунок 3.12) [37]. Программа оперделяет в каком направлении вращается энкодер, и сколько проходит шагов. Каждый шаг соответсвует кадру визуализации (рисунок 3.13).

Рисунок 3.12 – Скетч Arduino

Рисунок 3.13 – Монитор действий

Чтобы передавать вращение вала на энкодер требуется изготовить редуктор из трех зубчатых колес, с передаточным числом 1 к 3 и 1 к 5, поскольку энкодер имеет 24 шага по 15°, а полный оборот вала 360°. Соответственно имеем передаточное число для зубчатых колес:

.

Далее разрабатывается модель и сохраняется в STL формате для печати на 3D принтере. Детали созданы в Autodesk Inventor, поскольку в данном программном продукте встроен инструмент для создания зубчатых колес.

Первое колесо (рисунок 3.14) соединяется со вторым колесом (рисунок 3.15) через колесо меньшего диаметра в отношении 1 к 3. Второе колесо соединяется с третьим (рисунок 3.16) большим диаметром в отношении 1 к 5. Третье колесо в свою очередь крепится на энкодер вставленный в корпус (рисунок 3.17). Необходимо чтобы элементы конструкции плотно прилегали друг к другу не допуская люфта изделия, что будет сказываться на точности показаний энкодера. Пластик для 3D принтера имеет достаточную прочность, цвет синий. Перемещая головку по трем осям и плавя пластик, происходит построение деталей с наполнением 80%.

Таким образом изделие имеет небольшой вес, а в случае дефектов или поломки, всегда можно быстро и качественно изготовить замену.

Рисунок 3.14 – Первое зубчатое колесо

Рисунок 3.15 – Второе зубчатое колесо

Рисунок 3.16 – Третье зубчатое колесо

Рисунок 3.17 – Корпус для энкодера

Редуктор, собранный и прикрепленный на стенд продемонстрирован на рисунке ниже (рисунок 3.18).

Рисунок 3.18 – Редуктор в сборе

3.3 Создание стенда ДВС

Для создания полноразмерного стенда потребовался ДВС G16A от Suzuki Escudo. На первом этапе потребовалось разобрать и отчистить двигатель от остатков машинного масла и гари. Далее в блоке цилиндров был сделан вырез одной четверти, для демонстрации движения головки цилиндра в блоке (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 – Блок цилиндров с вырезом

Вырез произведен с помощью фрезерного станка в мастерских ДВГУПС по адресу ул. Некрасова, 89.

На втором этапе следовало обработать подвижные детали (рисунки 3.20 и 3.21) с помощью Литол-50, чтобы ход деталей был легким, с минимальным усилием для человека [14].

Рисунок 3.20 – Коленчатый вал

Рисунок 3.21 – Скобы, головки блока цилиндра, крепежные элементы

На третьем этапе потребовалось создать прочную устойчивую опору для стенда (рисунок 3.22). Для сборки потребовались: 3 алюминиевых профиля – уголка 35х35 мм, доска кленовая 500х2000х20 мм, брус кленовый 40х40 мм длинной два метра, грунт, черная акриловая краска – для защиты деревянных элементов от повреждений.

Рисунок 3.22 – Опора стенда с ДВС

После изготовления всех конструктивных элементов стенд был окрашен и обтянут черной тканью, для придания эстетически красивого вида.

Рисунок 3.23 – Окрашенный ДВС

Рисунок 3.24 – Стенд

Собрав все элементы с единое целое получен стенд двигателя внутреннего сгорания с визуализацией, что является конечной целью выпускной квалификационной работы. Для создания всего стенда потребовалось рабочее место с соответствующим установленным программным обеспечением, инструментами и оборудованием. Техническое и материальное оснащение, а также рабочее место было представлено СКБ «Нанотехника».

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

4.1 Актуальность разработки

Данный раздел посвящен экономическому обоснованию и расчету затрат на разработку «Учебного стенда с использованием технологии трехмерной визуализации процесса работы двигателя внутреннего сгорания».

В разделе приведены расчеты основных затрат на проектирование и изготовление стенда, а также рассчитана его цена.

Проектируемый лабораторный стенд изготавливается с целью обучения студентов курсу «Техническое обслуживание двигателей, систем и агрегатов автомобилей», что позволит более качественно подготавливать будущих специалистов, то есть повысить их знания в этой области. Студенты будут выполнять лабораторные работы, изучая строение двигателя внутреннего сгорания.

Стенд позволит наглядно рассмотреть устройство и принцип работы ДВС, даст возможность студентам самостоятельно изучить строение двигателя. Тем самым учебный материал курса будет усваиваться лучше.

4.2 Определение трудоемкости выполнения научно-исследовательской опытно-конструкторской работы

Стадии и этапы разработки проекта занесены в таблицу 1.

Характеристики

Список файлов ВКР