A Generátor Szabadonfutó Szíjtárcsa: Működése, Előnyei és Fejlesztési Folyamata
Az elmúlt 10 évben ugrásszerűen megnövekedett a szabadonfutó szíjtárcsák alkalmazása a gépjárművek generátorainak hajtásánál, mivel a tervezők felismerték az előnyeit. Ma már sok cég gyártja ezt a terméket. Az alábbiakban megismerhetjük azt a folyamatot, amikor egy látszólag egyszerű autóalkatrész gyártása milyen nem egyszerű műszaki lépéseket tartalmaz, amibe beletartozik a felmérés, a tervezés, a kísérletek és végül a gyártás. A szabadonfutó szíjtárcsák alkalmazásának felfutása miatt az elmúlt években komoly erőfeszítéseket tettek a tervezés, kísérletezés, gyártás területén, és ennek eredményeként jelenleg az egyik legjobb minőségű szabadonfutó tárcsát tudják előállítani. A fenti innovációs folyamatot próbáljuk most ismertetni.
Mi az a Generátor Szabadonfutó Szíjtárcsa?
A generátor szabadonfutó lényege, hogy megóvja a generátor forgórészét a belső égésű motorok forgattyústengelyének forgási egyenlőtlenségeitől. A mai modellekben a motorok modernizálásával a főtengely vibrációja is fokozatosan nőtt a régebbi változatokhoz viszonyítva. Ez fokozottan érvényes a dízelmotorok fejlesztéseire az Euro emissziós szabványok miatt. A fokozott rezgésért többek között a főtengelyre ható nagyobb erőhatások okolhatóak, ezek miatt válik egyenlőtlenné a tárcsasebesség.
A vibrációk visszafogása tehát elsődleges céllá vált időközben az autógyártók számára. Ezért fejlesztették ki például a kettőstömegű lendkereket. A generátor szabadonfutó népszerűvé válásához hozzájárult az egyre inkább megfigyelhető ún. „downsizing” tendencia az autógyártásban. Ennek során egyre csökkentik a gyártók a hengerszámot, viszont ezáltal párhuzamosan nő a járási egyenlőtlenség. A generátor szabadonfutó lényegében „lekapcsolja” a generátor forgórészét a forgattyústengely mozgási egyenetlenségeiről. Azonban nem csak a forgórész egyenlőtlenségeit mérsékli, hozzájárul a szíj élettartamának növeléséhez is. Alapjárati fordulattartományban növeli a generátor fordulatszámát.
A Szabadonfutó Szíjtárcsa Előnyei
Először is nézzük meg a már sokat említett tárcsa (amit sok helyen „Clutch pulley”-nek, kuplungtárcsának is hívnak) előnyeit:
- szétválasztja a generátort a motor által keletkezett igen jelentős mértékű, nem ciklikus mozgásoktól,
- kompletten javítja a „FEAD” rendszer tulajdonságait, mivel ebben a rendszerben a generátornak igen nagy tehetetlenségi nyomatékai vannak (FEAD = Front End Accessory Drive - főtengely szabad véghez csatlakozó járulékos hajtás),
- a hajtószíjnak hosszabb élettartamot biztosít,
- a többfunkciós feszültségszabályzóknak védelmet nyújt túltöltés ellen,
- elnyeli, csökkenti a vibrációt, a rezgéseket a rendszerben,
- redukálja a szíj megcsúszását és a zajt a hajtásban.
Főbb Típusai
Ahogy terjedt az alkatrész alkalmazása, úgy fejlesztettek ki a különböző autógyártók saját típusokat. Alapvetően két fő típus terjedt el az autógyártásban: az OAD és az OWC.
Mercedes 200D differenciálmű hibaelhárítás
- OWC (One-Way Clutch): Utóbbi egyik irányban szabadon fordul el, míg a másikban egyből zár.
- OAD (Overrunning Alternator Decoupler): Ezzel szemben az OAD ugyanúgy szabadon fordul az egyik irányban, ám ez a típus a záró irányban is el tud mozdulni minimálisan. Az elfordulási mozgások által válnak csökkenthetővé az egyenlőtlen szíjsebességnél kialakuló rángatások.
Tervezés és Fejlesztési Folyamat - a ZEN példáján keresztül
Az alábbiakban a ZEN cég szabadonfutó tárcsákról, valamint a folyamatot a tervezés körülményeiről és a tesztelésekről szóló műszaki leírásából adunk közre részleteket.
Benchmarking Folyamat
A benchmarking „összemérés”-t jelent, ahol a versenytársakat és más gyártók termékeit is összevetik, és a fejlesztésnél, valamint a gyártásnál az információk segítségével megpróbálják a legjobb terméket létrehozni. A benchmarking folyamata a következő:
- tervezés,
- adatgyűjtés,
- elemzés,
- adaptálás,
- implementáció,
- lezárás.
A ZEN cég a fenti folyamatot alkalmazta.
Tervezési Jellemzők és Innovációk
A tervezési jellemzőknél a legfontosabb az volt, hogy a fent leírt előnyöket a termék valóban teljesíteni tudja. Ennek érdekében legyen egy „compact” tervezésű, kevés alkatrészt tartalmazó tárcsa. A csapágyak és a rugók előállítói legyenek minőségileg biztosított ISO-TS szállítók. A működést tekintve, elsődleges az „egyirányú hengergörgős” rendszer. Ebben a rendszerben a ZEN cégnek igen nagy tapasztalata van, mivel a hasonló elven működő indítómotor-bendixeket már az 1960-as évek óta gyártja.
A tárcsa háza erős, robusztus szerkezet, belső vezérlőbütykök kialakítással, hidegmegmunkálással. Az anyag 10B22 acél, amit a folyamatok végén hőkezelnek. A tárcsa forgatónyomaték-terhelése elérheti az 500 Nm-t is. A beépített rugóknál egy új „rugalmassági állandó” tervezéssel alakították ki a rendszert, és ezzel elérték, hogy nagy forgási sebességeknél és kis szabadonfutási nyomatéknál a megcsúszást elkerüli.
A tervezésnél olyan műszaki megoldásokat is alkalmaztak, melyek más gyártónál nem találhatóak meg, és ezzel tovább tudták javítani termékük megfelelőségét. Ezek közül megemlíthetjük:
- a kettős tömítés a tárcsa mindkét oldalán,
- tömítés a csapágy és az egyutas kuplung között,
- 5 vagy 6 db hengergörgő, melyek növelik a csapágyak kopófelületeit,
- SAE 52100 acél, hőkezeléssel a csapágy előállításánál.
Teljesítőképesség és Tesztelés
Dinamikus Szimuláció és Mechanikai Szilárdság
A szíjtárcsára dinamikus szimulációs modellt alkottak: a modell egy rendszer vagy szerkezet absztrakciója, amely a tervezési fázisban a megértést és a kezelhetőséget célozza. A modell az adott rendszert egy bizonyos absztrakciós szinten teljes mértékben leírja. Bemutatja a rendszer belső viselkedését. Tartalmaz a befolyásoló tényezők hatását mutató diagramokat, működési diagramokat, és ezeknek a segítségével lehet javítani a tárcsa tervezési folyamatait. Ezt a modellt alkalmazták a tervezésnél és a számításoknál.
A tárcsa mechanikai szilárdságának számítása a „FEA” (Finite Element Analisys - végeselem-analízis) segítségével történt. A módszer a szerkezetek terhelés hatására történő deformálódásának meghatározására szolgál. A „FEA”-val optimalizálni lehet a tárcsa szilárdsági méretezését, aminek segítségével lehetett elérni, hogy 18 000 min-1 fordulat felett is megfelelően működjön és a csúszásokat is elkerülje.
Valós Idejű Spektrumanalízis (RT)
A tesztmérési adatok feldolgozásánál az „RT” (real time - valós idejű) spektrumanalizációt használtak. Ez alkalmas arra, hogy az időben változó spektrumot elemezni tudják, minden egyes időpillanatban, minden egyes frekvenciát látni lehet a kiválasztott sávban. A mintavételi pontokat csoportosítják és azokon „FFT” műveletet, azaz gyors Fourier-transzformációt hajtanak végre. Ez a művelet, amit ma már igen sok helyen használnak, alkalmas arra, hogy a káros tranzienseket, rezgésállapotokat kiszűrjék és optimalizálják a rendszert.
Csapágyak, Tömítések és Kenőanyagok
A csapágy tervezésénél a csapágy radiális hézagának pontos kiszámítása és annak célorientált specifikációja növeli a csapágyak élettartamát. A speciális tömítéseket és a kenőanyagokat nagy hőmérsékletre tervezték. Nagy teljesítőképességű zsír kenőanyagot alkalmaznak. Csak a meghatározott kenőanyagok alkalmasak a szabadonfutó kuplungrendszerhez. A ZEN közösen dolgozott a vezető kenőanyagcégekkel, hogy kidolgozzák a legjobb megoldásokat. Az eredmény az, hogy a nagy teljesítményű kenőanyag hosszú ideig tud dolgozni, extrém körülmények közt is.
Chiptuning a Mercedes E 270 CDI-hez
OEM Érvényesítési Tesztek
Az OEM - Original Equipment Manufacturer - beszállítóknak termékük megfelelőségének igazolására különféle speciális tesztberendezések segítségével kell vizsgálatokat végezniük. A szabadonfutó szíjtárcsáról a következő fontos működési adatokat mérték:
- a hajtószíj feszessége különböző üzemi körülményeknél,
- a környezeti hőmérséklet,
- a generátor kimenő teljesítménye,
- a generátor tengelyforgásának viselkedése,
- nagy sebességű teszt nagy hőmérsékleten,
- tesztek normális feltételek közt, amikor megfelelő kenőanyagot használtak,
- tesztelés fokozott aciklikus mozgásoknál,
- tesztelés nagy fordulatú ciklikus mozgásoknál,
- sós víz és sár teszt.
Ez utóbbi 85 órán keresztül tart szennyezett körülmények között. Jelentős károsodás a tárcsában és a működésben nem történt. A fenti tervezési, tesztelési, javítási időszakok után a végső vélemény a jelenleg gyártott szabadonfutó tárcsákról: egyszerű, megbízható, robusztus tárcsa lett a megoldás.
Gyakori Hibák és Diagnosztika
Mivel a generátor szabadonfutó hibák feltárása is szakértelmet igényel, még az alkatrészek megrendelése előtt célszerű szakemberhez fordulni. Általánosságban elmondható, hogy kb. 100 000 kilométer futásteljesítmény után szokott jelentkezni valamilyen hibája, ám ez nem törvényszerű.
A Korai Meghibásodás Okai
Ha hamarabb megy tönkre, azért általában a tömítéseinek sérülése vagy a védőburkolatának hiánya okolható. Ilyenkor könnyebben jutnak be a különböző szennyeződések és nedvesség az alkatrészbe, s így hamarabb korrodálódhatnak a generátor szabadonfutó fémalkatrészei is. Ugyanígy okolhatjuk a korai meghibásodásért a megrendelt generátor szabadonfutó gyenge minőségét is. Ezekben a kevésbé jó változatokban kevesebb görgőt raknak a szükségesnél a csapágyba, a következmény pedig így a csapágyak korai kopása lesz.
Viszonylag gyakran figyelhető meg meghibásodási okként a csapágyak holtjátékának növekedése, amiért a generátor meghajtás szakszerűtlen beszerelése hibáztatható. Ha túl feszes a szíj, netán rosszul állítják be a görgőket és a feszítőket, esetleg a szíjtárcsákat, akkor sokkal intenzívebben terhelődik majd a generátor szabadonfutó is, idő előtt fog tönkremenni.
Jellegzetes Hibajelek
A generátor szabadonfutó hiba felismerése ugyan nem egyszerű, de azért akadnak jól érzékelhető jelek. Ilyen például, amikor az ablakemelő üzemeltetése során a lámpák fényereje csökken. Ennek csak generátor szabadonfutó hiba lehet az oka. Jól látható jel még, ha villogni kezd az akkumulátor töltésjelző a motor üzemelése közben, vagy ha olajfoltokat talál a generátor szabadonfutó tömítésén, a házborítás felszínén.
Cseréje és Szükséges Szerszámok
Az alkatrész hibái esetén a leggyakoribb gyógymód a generátor szabadonfutó cseréje. Ez azonban nem gyerekjáték, elengedhetetlen kelléke a generátor szabadonfutó célszerszám. Bizonyos modellekben az üzemanyagszűrőt és a generátort is le kell szerelni ahhoz, hogy hozzáférhessünk a szabadonfutóhoz.
A generátor szabadonfutó célszerszám csoportban az egyik legfontosabb a leszedő, mely egy speciális kulcs, ami nélkül elképzelhetetlen a generátor szabadonfutó cseréje. A szabadonfutó szerelése tehát összetett művelet, amihez a célszerszám mellett komoly szakismeretre van szükség. A gépkocsi tulajdonosának sem árt, ha nem teljesen ismeretlen számára az alkatrész pontos működése.
Hogyan cseréljük ki a generátor szabadonfutó tengelykapcsoló-tárcsáját
A ZEN Vállalatról
A „ZEN” céget 50 évvel ezelőtt alapították Brazíliában, Brusque városában. Jelenleg mintegy 1000 alkalmazottja van, és a világ alkatrészgyártó-piacában egy jelentős gyártónak, beszállítónak minősül. Több mint 60 országba exportálja termékeit, köztük az USA-ba is, és nemcsak utángyártó, hanem közvetlen beszállítója is a nagy autógyáraknak. A legnagyobb gyártási profilja a bendixek területén van, ezekből például 900-féle típust állítanak elő. Jelentős a termelésük a kefetartókból és a tárcsákból is. Jelenleg a cég több mint 70-féle tárcsát gyárt és forgalmaz. Potenciális szállítója az OEM piacnak, a terméktulajdonságok alapján képes a nagy autóipari gyártóknak megfelelni.