Vääntönokan laskennallinen muotoilu kontaktiväsymistä vastaan

Abstract

Ovensulkimien tuotekehityksessä on noussut esiin tarve nokka-akselin muotoilemiseen siten, että se tuottaa vaadittavan vääntömomentin ilman vaaraa kontaktijännitysten aiheuttamasta rikkoutumisesta. Diplomityössä kehitetään ohjelmamuotoon laskenta, jolla voidaan tuottaa nokka-akseliprofiileja vääntömomentin täyttämiseksi annettujen reunaehtojen, kuten kokoonpanon dimensioiden avulla. Profiilien kestävyys varmistetaan käyttäen moniaksiaalisen väsymisen kriteerejä siten, että vertailu jännitysten välillä pohjautuu vanhoista prototyypeistä ja olemassa olevista tuotteista saatuihin referenssiarvoihin.

Työssä selvitetään tuotteen mekaniikkaa ja vaatimuksia kirjallisuudesta siltä osin, mitä suoritettava laskenta vaatii. Nokan muotoilu toteutetaan taulukkolaskennan rinnalle kirjoitetulla ohjelmalla, jonka tuottamat profiilit analysoidaan elementtimenetelmällä. FE-analyysin tuloksia tutkitaan väsymislaskennan avulla, joka toteutetaan kirjotetuilla Python-ohjelmilla. Parhaat prototyypit valmistetaan testattavaksi sulkimissa.

Tuloksena luodaan nokka-akseleiden suunnitteluprosessi, jota noudattamalla varmistutaan kestävien ja vaatimukset täyttävien nokka-akseleiden suunnittelusta jatkossakin. Paras nokka-akselin prototyyppi valitaan tuotannolliseen sulkimeen. Epälineaarista FE-analyysia hyödynnetään jännityksien ja vääntömomentin laskentaan. Lisäksi kehitetään materiaalimalli hiiletyskarkaistulle teräkselle ja momentinmuuntoon käytettävä käyrästö kuvaamaan ovensulkimen liukuvetolaitteen toimintaa.

Need for design of torque controlled cam profiles has arisen in the research and development of door closers. To satisfy both requirements of the cam, torque and rolling contact fatigue, technical calculation is developed. Program for cam profile design is written to work with spreadsheet software using given parameters such as spring force. Fatigue resistance is ensured with multiaxial fatigue criteria comparing newly developed profiles to old ones.

Mechanics and operational demands of the door closer are cleared by means of literature review as much as is needed for understanding the calculations. Calculated profiles are analyzed using finite element method. Fatigue analysis is carried out using Python-code scripts to find critical stresses and elements according each selected multiaxial fatigue criteria. Best of developed cam profiles were manufactured and tested.

As result a process for design and calculation of cam profiles is created to ensure that the demands can be met in the future as well. Best profile is selected to the door closer. Nonlinear finite element method is utilized for calculation of stresses and torque. Also material model for case hardened steel is developed and torque conversion of door closer sliding arm is calculated.