Αντίστροφος μηχανολογικός σχεδιασμός ένσφαιρου διαφορικού και ανάλυση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία έχει ως αντικείμενο τον Αντίςστροφο Μηχανολογικό Σχεδιασμό Ένςφαιρου Διαφορικού και την Ανάλυσή του με τη μέθοδο των Πεπερασμέων Στοιχείων. Ο Αντίστροφος Μθχανολογικός Σχεδιασμός (ΑΜΣ) αποτελεί μια ολοκλθρωμένη τεχνολογική προσέγγιση, η οποία αποσκοπεί εν προκειμένω στην αποτύπωση και την ψηφιακή τριςδιάστατη αναπαράσταση φυσικών μορφών και αντικειμένων σε υπολογιστικό περιβάλλον. Εφαρμόζοντας λοιπόν τις συστηματικές μεθόδους του ΑΜΣ αντλουνται τα απαραίτητα τεχνικά δεδομένα που περιγράφουν πλήρως το ένσφαιρο διαφορικό, είτε τελικά να δθημιουργηθεί τριςδιάστατο ψηφιακό μοντέλο, ικανό να αποδώσει με αξιοσημείωτη ακρίβεια τη μορφή και τη λειτουργικότητα του ένσφαιρου διαφορικού σε περιβάλλον CAD. Ο ρόλος που διαδραματίζει ο Μηχανολόγος Μηχανικός στην αποτελεσματική εφαρμογή του ΑΜΣ είναι μείζονος σημασίας, καθώς οι τεχνικές του ΑΜΣ απαιτούν την εξειδικευμένη γνώση, οξεία αντίληψη και κρίση του Μηχανικού. Στην παρούσα διπλωματικη εργασία το ένσφαιρο διαφορικό αποτελεί αφετηρία για την εφαρμογη των συστηματοποιημένων μηχανολογικών τεχνικών ΑΜΣ. Το υπόψη ένσφαιρο διαφορικό επινοιήθηκε από τον Έλληνα μηχανουργό, κ.Τσιριγγάκη, ο οποίος εμπνευσμένος από το ‘’Μηχανισμό των Αντικυθιρων’’ κατασκευασε και παρουσίαςε το πρωτότυπο διαφορικό το 1980. Σταδιακά το διαφορικό αυτό κατοχυρώθκε νομικά ως δημιούργημα του κ.Τσιριγγάκη και αποτέλεσε πατέντα σε περισσότερες από 12 χώρες. Για την εκπόνηση της διπλωματικης εργασίας ακολουθηθηκέ η εξής προσέγγιση: Αρχικά παρουσιάζεται συστηματικά η έννοια του διαφορικού, γίνεται ιστορικη αναδρομη της εξέλιξής του και περιγράφονται η δομη και τα εξαρτηματά του. Σύντομη αναφορά γίνεται στα διαφορικά περιορισμένης ολίσθησης και στο διαφορικό τύπου «Μπλοκέ». Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της δομής και του τρόπου λειτουργίας του ένσφαιρου διαφορικού του κ.Τσιριγγάκη.. Εν συνεχεία διευκρινίζεται η έννοια του Αντίστροφου Μηχανολογικού Σχεδιασμού, αναλύεται εκτενώς σε στάδια, παρουσιάζονται τα πεδία εφαρμογής του και συγκρίνεται με τον συμβατικό Μηχανολογικό Σχεδιασμό. Ακολοφκωσ αναλύεται η διαδικασία αποσυναμολόγησης με τη λήψη των απαραίτητων μετρήσεων. Γίνεται εισαγωγη στην δομή, λειτουργία και χρήση των Μηχανών Μέτρησης Συντεταγμένων (CMM) και παρουσιάζεται η μεθοδολογία λήψης μετρήσεων των εξαρτημάτων του ενσφαιρου διαφορικού στη CMM του Εργαστηρίου Ταχείας Κατασκευής Πρωτοτύπων και Αντιστρόφου Σχεδιαςμού τής Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Επιπροσθέτως αναλύεται η δομη και η λειτουργία των Τρισδιάστατων Σαρωτών (3D Scanners) και πραγματοποιούνται οι απαραίτητες μετρησεις στον Τριςδιάστατο Σαρωτη του Εργαστηρίου. Αξιοποιώντας τις παραπάνω μετρήσεις, δημιουργείται σε περιβάλλον 3D CAD (SolidWorks ) η πιστή τρισδιάστατη αποτύπωση του ένσφαιρου διαφορικού του κ. Τσιριγγάκη καθώς και ένα δεύτερο παραμετρικό μοντζλο αυτού. Με βάση τα μοντέλα που δημιουργιθηκαν πραγματοποιείται η στατική και κινηματική ανάλυση του ένσφαιρου διαφορικού σε υπολογιστικό περιβάλλον, με χρήση των προγραμμάτων SolidWorks Simulation και SolidWorks Motion αντίστοιχα. Η Διπλωματική Εργασία ολοκληρώνεται με την εκτενη παρουσίαση των συμπερασμάτων και προτείνονται πιθανές κατευθύνσεις για τη μελλοντική συνέχιση της έρευνας στον τομέα του ένσφαιρου διαφορικού. Συμπληρωματικά πραγματοποιούνται Βιβλιογραφική Αναφορά καθώς και ένα Παράρτημα που περιλαμβάνει απλοποιμένα μοντέλα προσέγγισης συνθετότερων φαινομένων, τα οποία εμφανίζονται κατά τη λειτουργία του ένσφαιρου διαφορικού.

The object of this thesis is Inverse Engineering of Gearless Differential and its Finite Element Analysis (FEA). Inverse Engineering (Reverse Engineering, RE) constitutes a comprehensive technological approach the object of which is to copy and represent in digital three dimensional (3D) form structures and forms of figures and objects within a computing environment. By applying systematically RE planning one is able to acquire the necessary technical data which fully describe the gearless differential so that a 3D model can be ultimately created which can efficiently and with remarkable precision depict the shape and function of gearless differential within a CAD environment. The engineer’s role in the effective application of RE is of major importance since the complex mechanics of RE require special know-how, sharp perception and judgment from the side of the mechanical engineer. The starting point in the present thesis was the gearless differential on the application of the systematized technological techniques of RE. The above mentioned gearless differential was devised by Mr. Tsiriggakis, a Greek engineer, who inspired by the Antikythera mechanism, constructed and displayed the gearless differential in 1980. Gradually this device was recognized legally and earned a patent in 12 countries. For the execution of this thesis the following process was adopted: Initially the meaning of gearless differential is presented in a systematic way while there is a historical reference to it and a description of its structure and components. There is also a brief reference to the limited slip differential and the locking differential. Then an analytic description of the structure and the function of Mr. Tsiriggaki’s gearless differential is provided. Following that the concept of RE is illustrated with extensive analysis of its stages and with the presentation of its application fields . Alongside runs a comparison with the conventional Engineering planning scheme. What follows is the process of disassembling the gearless differential so that the necessary measurements are taken. An introduction to the structure, function and use of the Coordinate Measuring Machine (CMM) is given. Additionally the methodology and process of how to take measurements of the spare parts of gearless differential at the CMM of the Laboratory of Rapid Prototyping and Reverse Engineering in the school of Mechanical Engineering NTUA. Further than this the structure and function of the 3D scanners is analyzed and additional measurements are taken at the 3d scanner of the Laboratory. Taking full advantage of the above mentioned measurements, a faithful 3D replica of Mr Tsiriggaki’s gearless differential is delivered alongside a second parametric model of it. Based on the models created and with the help of the SolidWorks simulation and SolidWorks Motion programs, we achieve a static and motion analysis of gearless differential respectively in a computer environment. 7 The thesis concludes with the extensive presentation of the deductions and possible directions are indicated for future furthering of research on the area of gearless differential. Alongside the project bibliographical references are made and an appendix is provided that includes simplified models for approaching more complex phenomena which come up during the operation of gearless differential.