Tudengivormeli FEST20 planetaarülekande projekteerimine

Lõputöö käigus projekteeriti planetaarülekanne tudengivormelile FEST20. Ülekandesüsteem projekteeriti tuginedes varasemalt Formula Student Team Tallinna meeskonnas projekteeritud lahendustele. Likvideeriti varasemalt ilmnenud ülekande puudujäägid ning projekteeriti vastupidavam ja töökindlam lahendus. Töökindluse parandamiseks projekteeriti hammasrattad suuremate varuteguritega, muudeti ülekande konfiguratsiooni, et tagada jäigem ja kompaktsem lahendus ning vahetati välja hammasratastel kasutusel olnud materjal. Parema jõudluse saavutamiseks hinnati ümber varasemalt kasutusel olnud ülekandetegur.

Ülekande projekteerimist alustati kinemaatika konfiguratsiooni määramisest. Otsustati jätkata liitplanetaarülekande kasutamist, kuid varasemalt kasutusel olnud liit-planeet planetaarülekande asemel võeti kasutusele liit-täht planetaarülekanne. Konfiguratsioonide erinevus tuleneb nende ülekande komponentide vabadusastmete erinevusest. Liit-planeet planetaarülekande pöörlev hammasvöö võimaldas projekteerida varasemast kompaktsema nurgakoostu.

Ülekandeteguri valimine koosnes kolmest etapist. Kasutati ringiajasimulatsiooni, kus leiti esialgne vahemik, millist tegurit otsitakse. Järgmisena otsiti MS Exceli arvutusmoodulis eelnevalt kindlaks määratud vahemike seast planetaarülekande tarbeks sobivad tegurid välja. Viimasena sisestati sobivad tegurid Kisssofti, et analüüsida nende sobivust ning teha kindlaks, kas on võimalik saavutada nõutud varutegurid. FEST20 ülekandeteguriks valiti 13.2318 ning saavutatud varutegurid olid suuremad, kui standardis nõutud. Varasemalt kasutusel olnud hammasrataste materjali 15NiCr13 termotöötlemiseks on kasutatud vaakumtsementiitimist. Antud materjali termotöötlusel toimub soovitud mõõtmetest kõrvalekalle kuna termotöötluse temperatuur ulatub kuni 1000°C ning sellest tulenevalt otsiti muud termotöötluse viisi. Sobivaks meetodiks leiti gaasnitriitimine, kus termotöötluse võtab astet temperatuuril kuni 600°C, mis eeldatavalt vähendab tekkivaid sisepingeid kuna termotöötlus toimub alla faasisiirde piiri. Võttes arvesse kissofti soovitusi ning valideerides materjali omadusi võeti kasutusele materjal 34CrAlNi7.

Ülekande detailid projekteeriti raalprojekteerimistarkvara abiga. Ülekande sisend ehk päike on hammasratas, millel kasutatakse nii sise-kui välishambumist. Päiksele projekteeriti nuutliides, mis võimaldab hammasratta paigaldada otse mootorile kasutades selleks poltliidest. Lõputöö käigus projekteeriti planetaarülekande planeedist kolm revisjoni. Lõplikuks optimeeritud planeedi massiks sai 82 g. Hammasülekande teisele astmele teostati LEM-analüüs, et leida optimaalseim hammasvöö laius võimalikus paindeolukorras. Leiti, et optimaalseim lahendus on kasutada 11 mm laia hammasvööd, mis langetas hammasrataste kontaktpingeid kuni 200 Mpa.

Lõputöö majanduslikus osas leiti planetaarülekande projekteerimise omahind. Parema ülevaate andmiseks jaotati tööjõukulud kolmeks: eeltegevused, põhitegevused ning projekteerimine ja analüüs. Eeltegevused moodustasid ajaliselt kogu lõputööst 23% ning selle maksumuseks kujunes 2500 eurot. Põhitegevused moodustasid ajaliselt kogu lõputööst 65% ning maksumuseks kujunes 18000 eurot. Projekteerimine ja analüüs moodustasid ajaliselt lõputööst 11% ning maksumuseks kujunes 2500 eurot. Planetaarülekande projekteerimiseks kulus kokku 535 h, mis kujundas ülekande omahinnaks 23000 eurot.

The aim of the following graduation thesis Planetary Gearbox Design for Formula Student Class Vehicle FEST20 is to research and develop a new and improved gearbox design for a Formula student class vehicle. Formula Student is an international design competition for engineering sudents to build a single seat race car to compete against university students from around the world. The graduation thesis is composed of four chapters, each of them dealing with different aspects of designing of a planetary gearbox. The first chapter gives an overview about the previous Formula Student Team Tallinn vehicle FEST19 and it’s parameters. The chapter also describes which planetary gearbox configurations are there available to use and which conditions need to be met for the gearbox to work. Previously used compound-planet planetary gearbox was replaced with a compound-star planetary gearbox to achieve a more rigid and compact corner assembly. The final drive ratio had to be changed to improve overall performance and electrical efficiency of the formula car. Lap time simulation method was used to find an optimal final drive ratio for acceleration and trackdrive application. Final drive ratio was increased from 12,6522 to 13,2318 which lowers the car’s top speed from 121 km/h to 115 km/h meanwhile improving acceleration and electrical efficiency. Previously designed Formula Student Team Tallinn planetary gearboxes have used 15NiCr13 material for manufacturing gears. The hardening method used for this material has been vacuum carburizing which requires heat up to 1000°C and causes dimensional changes on the gears. Gas nitriding was found to be a better hardening method but requires material with different properties. Gas nitriding process takes place at temperatures up to 600°C which reduces the dimensional changes during heat treatment. High alloy steel 34CrAlNi7-10 was selected based on recommendations from gear design and analysis software. The designing of the gearbox and optimisations were done in CAD and FEM softwares. During the graduation thesis three different compound planet revisions were developed. The final revision was a further optimised design and weighs 82 g per gear. FEM analysis was done to the second gearbox stage which include planet 2 and the ring gear. The purpose of the analysis was to find out how wide does the ring gear need to be to lower the contact stress of the gears. 11 mm wide ring gear was found out to be the best solution which lowered the contact stresses up to 200 Mpa. The final chapter gives an overview of the designing cost of the planetary gearbox. The labor force costs were separated into pre-design activities, design activities and design analysis. Pre-design activities cost 2500 euros, design activities 18000 euros and design analysis 2500 euros. The total labor force cost of the planetary gear design was 23000 euros and took 535 hours.