UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Martin WERDONIG INŽENIRSKO OBLIKOVANJE RAZTEGLJIVEGA POVODCA Z ZAVORO ZA PSA študijskega programa 2. stopnje Inženirsko oblikovanje izdelkov Maribor, september 2014
INŽENIRSKO OBLIKOVANJE RAZTEGLJIVEGA POVODCA Z ZAVORO ZA PSA Študent: Študijski program 2. stopnje: Martin WERDONIG Inženirsko oblikovanje izdelkov Mentor: Izr. prof. dr. Miran ULBIN Maribor, september 2014
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju Izr. prof. dr. Miranu ULBINU za pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.
KAZALO 1 UVOD... - 8-1.1 Opredelitev problema... - 8-1.2 Namen in cilji naloge... - 10-1.3 Struktura naloge... - 13-2 KONSTRUIRANJE IZDELKA... - 14-2.1 Sistemi zaviranja... - 14-2.2 Izbira zavornega sistema... - 18-2.3 Zasnova mehanizma... - 20-2.4 Dimenzioniranje... - 25-3 RAČUNALNIŠKO MODELIRANJE... - 35-4 OBLIKOVANJE IN REALISTIČNA UPODOBITEV IZDELKA... - 40-4.1 Oblikovanje ohišja... - 40-4.2 Realistična upodobitev izdelka... - 46-5 DISKUSIJA... - 48 - SEZNAM UPORABLJENIH VIROV... - 51 - -IV-
INŽENIRSKO OBLIKOVANJE RAZTEGLJIVEGA POVODCA Z ZAVORO ZA PSA Ključne besede: raztegljiv povodec za psa, zavora, računalniško modeliranje, inženirsko oblikovanje izdelkov, konstruiranje UDK klasifikacija: 621.22.011(043.2) POVZETEK V tej magistrski nalogi je obravnavana problematika neugodnega ustavljanja psa pri uporabi konvencionalnih raztegljivih povodcev. Specifično je obravnavan sunek sile ob ustavitvi psa in možnosti izboljšave obstoječih izdelkov. V magistrskem delu so opisane aplikacije drsečih zavor v mehanizmu raztegljivega povodca ter izbira najustreznejše. V nadaljevanju je opisano konstruiranje in dimenzioniranje izdelka z uporabo tračne zavore, ter priprava računalniškega modela z vsemi potrebnimi komponentami. Opisano je tudi oblikovanje in realistična upodobitev ohišja, s poudarkom na prepoznavnosti in funkcionalnosti. V magistrskem delu je ugotovljeno, da konstruiran izdelek omogoča ugodnejše in udobnejše zaviranje psov, ter preprečuje sunke in njegove posledice. Oblikovno izdelek poudarja svojo funkcionalnost in se tudi vizualno razlikuje od konkurenčnih izdelkov. V prihodnje pa je smiselno preveriti možnosti o kompaktnejši izvedbi povodca in ga oblikovno še izpopolniti. -V-
ENGINEERING DESIGN OF A RETRACTABLE DOG LEASH WITH A BRAKE Key words: retractable dog leash, brake, computer aided design, engineering design, product design ABSTRACT This thesis deals with the problem of a forceful jerk during the stopping of a dog using a conventional retractable leash. It addresses the possibilities of improving current products using sliding brakes in the retractable leash mechanism. It describes design process and the calculation of the leash, using a band brake. It also describes the process of producing a CAD assembly model, including all the necessary parts. It also addresses visual design and realistic computer generated visualization of the product, giving special attention to functionality and its distinction from other such products in the market. In this thesis it is established that designed mechanism allows more comfortable braking and reduces jerk and its consequences. Visual design distinguishes the product and visually demonstrates leash s functionality. In the future development the system could be made more compact and its design further improved. -VI-
MTax UPORABLJENI SIMBOLI P - aktivacijska sila l - razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile b - razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku T 1 - sila v bolj obremenjenem delu zavornega traku T 2 - sila v manj obremenjenem delu zavornega traku µ - koeficient trenja med zavornim trakom in valjem β - objemni kot med trakom in valjemb- zaviralni navor rr - polmer zavornega valja P pov - povprečna aktivacijska sila F min - minimalna zaviralna sila F br - zaviralna silam- maksimalna sila v zavornem traku P max - maksimalna aktivacijska sila σ max - maksimalna natezna napetost v zavornem traku s - skupna širina zavornih trakov na kovičenem mestu d - debelina zavornega traku σ dop - dopustna utripna natezna napetost za jeklo DIN St60 D - premer stebla kovice τ dop - dopustna strižna napetost za kovico iz jekla DIN RSt 38 τ s - strižna napetost v kovici m - število strižnih ploskev kovice n - število kovic A - prečni prerez kovice -VII-
1 UVOD 1.1 Opredelitev problema Raztegljivi povodci, ki so trenutno na trgu in imajo običajno konstrukcijo in delovanje so sestavljeni po bolj ali manj enakem principu. Osnova vsakega takšnega povodca je kolut, na katerem je navita določena dolžina najlonske vrvi. Dolžina te vrvi je praviloma nekje med tremi in petimi metri. Ta kolut je vležajen v ohišje povodca na način, ki omogoča prosto odvijanje vrvi, v kolikor na vrv deluje zunanja sila (pes, ki se oddaljuje od vodnika). V obratni smeri pa deluje vzmetna sila majhne spiralne vzmeti, ki je pritrjena na glavni kolut. Naloga te vzmeti je, da omogoča vračanje vrvi v povodec in nazaj na kolut. Tako je psu omogočeno gibanje od vodnika do razdalje, ki jo določa maksimalna dolžina vrvi, kakor tudi vračanje nazaj k vodniku, pri čemer se vrv avtomatsko previje nazaj na kolut. Poseganje vodnika pri tem ni potrebno, kar lastniku olajša vodenje psa. Osnovno delovanje povodca je s temi komponentami doseženo, vendar pa mora lastnik ohraniti nadzor nad psom, tudi znotraj območja maksimalnega raztega vrvi. Konstrukciji povodca je zato dodan blokirni mehanizem, ki onemogoča nadaljnje odvijanje vrvi kljub temu da le ta še ni povsem odvita s koluta. V primeru da mora vodnik nenadoma posredovati v gibanje psa, lahko s tem mehanizmom sunkovito zaustavi napredovanje živali. Del tega mehanizma je zobato kolo, ki je pritrjeno na obeh straneh koluta, oziroma je že togo povezano s kolutom kot del istega plastičnega elementa. To zobato kolo se vrti skupaj s kolutom, kadar mehanizem ni aktiviran. Ko pa vodnik aktivira blokado, se zobato kolo ustavi in s tem ustavi tudi vrtenje koluta. Aktivator blokirnega mehanizma je ločen od zobatega kolesa in je umeščen v ohišje povodca. Aktivator je gibljiv translatorno, tako da ga lahko premika vodnik s prstom na eni roki. Ko je aktiviran je le ta premaknjen bliže zobatemu kolesu, tako da poseže med same zobe. Tako ustvari blokado in onemogoči vsakršno vrtenje zobatega kolesa in s tem koluta. Ko vodnik želi, da se vrv znova prosto odvija s koluta odstrani pritisk z aktivatorja, le tega pa majhna vzmet vrne v prvotni položaj in sprosti zobato kolo. - 8 -
Tako je urejeno osnovno delovanje povodca. Ker pa je aktivator polavtomatski mehanizem, je gibanje koluta omogočeno takoj ko vodnik odstrani prst z aktivatorja. Kadar pa lastnik želi voditi psa na skrajšani vrvi in ne želi hkrati držati aktivatorja, uporabi blokado, ki odvisno od izvedbe onemogoči vračanje aktivatorja v prvotni položaj. Tako lastnik zgolj drži povodec v roki, ki ima sedaj funkcijo navadnega, fiksnega povodca in dovoljuje popoln nadzor nad gibanjem psa. Blokada aktivatorja je upravljana povsem ročno. Tako jo sprosti lastnik sam kadar to želi in ponovno omogoči delovanje raztegljivega povodca (Slika 1.1). Slika 1.1 Shema konvencionalnega raztegljivega povodca [1] Torej obstoječi raztegljivi povodec sestavljajo trije osnovni sklopi. Prvi je vrtljivi sklop, ki vsebuje kolut z navito vrvjo, zobato kolo in vzmet. Drugi je blokirni mehanizem, sestavljen iz aktivatorja, povratne vzmeti in ročne blokade aktivatorja. Tretji sklop pa je ohišje, ki je hkrati pritrdilna podlaga za ostala sklopa in tudi ročaj za vodnika. - 9 -
1.2 Namen in cilji naloge Obstoječi sistem tako dobro zagotovi želeno delovanje povodca in efektivno spremeni funkcijo povodca iz raztegljive v fiksno. Vendar pa se pri vodenju nekoliko bolj živahnih in težjih psov hitro pokažejo pomanjkljivosti takšne izvedbe. Čeprav je povodcu še vedno mogoče aktivirati blokado in je le ta trdnostno povsem ustrezen, se pojavi problem sunka sile zaradi nenadnega impulza ob hitrem pojemku hitrosti psa. Mehanizem ne omogoča nikakršne absorpcije nastale sile temveč vrv le blokira oziroma sprosti. Do absorpcije sile tako pride bodisi v roki vodnika bodisi v vratu psa, ki je preko ovratnice pripet na povodec. Možno je pa seveda tudi, da nenaden impulz sile povodec enostavno iztrga iz rok lastnika, s čimer pes uide izpod nadzora, povodec pa popolnoma izgubi svojo funkcijo. Posledice te pomanjkljivosti obstoječega povodca so zato številne. Od poškodb vratu psa, mišic ter vezi v rokah vodnika, do konfliktov z mimoidočimi psi in ljudmi, ter prometnimi nesrečami kadar pes lastniku pobegne na cesto [2]. Sistem raztegljivega povodca je torej potrebno dopolniti, da bi preprečili prevelik sunek sile ob zaustavljanju psa. Nadgradnja mehanizma mora omogočati postopno oziroma zvezno zmanjšanje hitrosti gibanja psa, preden bi lastnik aktiviral blokado. Na trgu še vedno prevladujejo klasični raztegljivi povodci, tudi takšni s številnimi inovacijami, ki pa večinoma ne odpravijo omenjenih težav. Med takšne novosti sodijo povodci z odsevniki za večjo varnost med hojo ob prometnih cestah, s posebnimi prekati kjer so spravljene vrečke za iztrebke, z integriranimi posodami za vodo in hrano, z vgrajeno baterijsko svetilko za sprehode po temi ipd. Nekateri patenti problematiko velikega sunka ob ustavljanju psa še poslabšajo, z avtomatskimi sistemi zaviranja. Patent US 6,904,872 B2 [3] na primer, vsebuje avtomatski blokirni element. Vrv s koluta je speljana preko blokirnega elementa, le tega pa vzmet ohranja v odprtem, razbremenjenem položaju. Ko pa vrv zaradi pospeška psa na ta element deluje s silo večjo od zmogljivosti vzmeti, pa blokirni element približa zobatemu kolesu in aktivira blokado. Ko popusti sila v vrvi se element povrne v začetno lego. - 10 -
Čeprav sistem deluje samodejno, torej brez posredovanja lastnika, mora le ta povodec še vedno držati v roki z dovolj veliko močjo, da zadrži sunek. Ker pa na nastali sunek zaradi avtomatskega blokiranja ni pripravljen oziroma je začasno nepozoren, mu lahko pes povodec iztrga še hitreje, kot pa pri navadnem raztegljivem povodcu, ki takšnega sistema nima. Nekaj pa je tudi rešitev na področju absorpcije sile. Med te sodijo povodci z elastičnimi elementi. V teh izvedbah silo absorbira bodisi elastičen trak, pripet neposredno na pasjo ovratnico, bodisi elastičen ročaj, ki omogoča bolj udobno vodenje psa. Primer takšnega izdelka je raztegljivi povodec podjetja Qurky [4] (Slika 1.2). Že ohišje samo je narejeno iz najlona in neoprena, kar nekoliko zmanjša sunek na roko uporabnika. Rešitev je ugodna za manjše pse, pri večjih in močnejših psih pa bi močan sunek še vedno bil prisoten. Slika 1.2 Elastičen raztegljivi povodec Quirky [5] Ta izvedba odpravi določene težave v zvezi z absorpcijo sile, vendar posledično privede do drugačnih težav. Elastični elementi morda nastalega impulza ne absorbirajo dovolj, ker ne pride do dovolj velikega raztezka. V tem primeru težave zaradi sunka ostanejo. V kolikor pa je raztezek elastičnih elementov večji, pa je ustavljanje psa mehkejše, vendar je zaradi velikega raztezka nadzor nad psom otežen. Glavna funkcija povodca je še vedno nadzor nad psom, zato mora odvisno od okoliščin, biti v vsakem trenutku omogočena popolna zaustavitev psa, brez naknadnega podajanja in raztegovanja vrvi oziroma traku. - 11 -
Novost na področju absorpcije sile je povodec, ki samodejno povečuje silo zaustavljanja v odvisnosti od hitrosti psa. Tako imenovani Slow Pull povodec [5] (Slika 1.3), je še v fazi razvoja in omogoča proporcionalno povečevanje sile zaviranja, tako da lahko pri silovitih sunkih psa popolnoma ustavi. Sunek sile je sicer zmanjšan, a še vedno dovolj močan da povodec iztrga iz rok lastnika, v kolikor le ta v trenutku sunka ni pozoren na gibanje psa. Ker pa je sistem avtomatski, lahko do takšne situacije pride relativno pogosto. Slika 1.3 Povodec Slow pull [6] Namen te naloge je torej zasnovati koncept mehanizma povodca, ki bi omogočal postopno zaustavitev psa, izključno s posredovanjem lastnika. Tako bi bil omogočen udobnejši in varnejši nadzor nad psom, brez nenadnih sunkov. V sklopu naloge bo oblikovano tudi ohišje, ki bo kot integralni del povodca dopolnjevalo funkcijo mehanizma in hkrati poskrbelo za prepoznavnost izdelka in vizualno poudarilo njegovo funkcionalnost. - 12 -
1.3 Struktura naloge V naslednjem poglavju bo opisan proces konstruiranja mehanizma, kjer bo predstavljena izbira metode zaviranja in možnosti njene aplikacije v izdelku. Opredeljene bodo ključne komponente in konkretne rešitve za njihovo umestitev v izdelek. Določeni bodo potrebni vhodni podatki, ki bodo služili pri preračunu zavornega učinka. Tako je potrebno ovrednotiti vodnikovo fizično zmogljivost za aktivacijo zavore, zaviralno silo ki bi zadostila vlečni sili psa, ter določiti obremenitvene meje, v katerih bo izdelek lahko uporabljen. Po fazi konstruiranja, bo v poglavju 3 izdelek konkretno dimenzijsko določen v virtualnem okolju, s pomočjo računalniškega modeliranja. Tako bodo vizualizirane vse komponente izdelka in medsebojno pozicionirane. Določene bodo tudi vse podporne komponente, ki bodo služile vpetju primarnih elementov mehanizma. Vizualizacija celotnega sestava bo omogočila osnoven vpogled v delovanje izdelka in ustreznost velikosti in pozicije elementov. V poglavju 4 bo sledilo oblikovanje ohišja, kjer bo predstavljen proces združitve funkcionalnosti in oblikovne prepoznavnosti izdelka od konceptov do virtualne realistične upodobitve. Na koncu bo sledil pregled rezultatov magistrskega dela ter ugotovitve o ustreznosti rešitev in možnosti za njihovo izboljšanje v nadaljnjem razvoju. - 13 -
2 KONSTRUIRANJE IZDELKA 2.1 Sistemi zaviranja V nadaljevanju bodo predstavljeni zavorni sistemi, ki bi utegnili zagotoviti želeno funkcijo povodca. Prikazane bodo različne metode, ki omogočajo postopno oziroma drseče zaviranje, ter načini kako bi bile integrirane v mehanizem. Podane bodo prednosti in slabosti zaviralnih metod kakor tudi dobre in slabe plati njihove uporabe v konkretnem primeru povodca z zavoro. Glede na pregled lastnosti posameznih zavornih aplikacij, bo izbrana najprimernejša za nadaljnjo obravnavo v fazi konstruiranja. Zraven osnovne zahteve po funkcionalnosti, bo posebna pozornost posvečena preprostosti in majhni teži izvedbe. Ker gre za izdelek nizkega cenovnega razreda, ki ga bo uporabnik dalj časa držal v eni roki, ni smiselno konstruirati izdelka z velikim številom kompleksnih elementov, narejenih iz dragih materialov večje mase. Zavore so sistemi ki upočasnjujejo, zavirajo gibanje, s postopnim in zveznim pojemanjem hitrosti. Obravnavano je lahko premočrtno ali rotacijsko gibanje. V večini praktičnih aplikacij pa zavora neposredno vpliva na slednje, rotacijsko gibanje okoli osi. Glede na fizikalni princip, ki je uporabljen pri zaviranju gibanja, so zavorni sistemi deljeni na zavore, ki koristijo trenje in elektromagnetne zavore. Elektromagnetne zavore upočasnjujejo gibanje s pomočjo magnetizma, oziroma interakcije med statičnim magnetom in elektromagnetnim navitjem. Ta metoda je uporabna predvsem v mehanskih sestavih, ki v svojem sklopu že vsebujejo elektromotor oziroma generator, ki lahko zraven svoje primarne funkcije opravlja še nalogo elektromagnetne zavore. V tej nalogi pa bo obravnavan princip zaviranja s trenjem, saj povodec v svoji osnovni izvedbi ne vsebuje nikakršnih elektromagnetnih elementov in jih zaradi ohranjanja preprostosti, nizke teže in cene, tudi ne bi bilo smiselno vključevati v mehanizem. Zavore s trenjem uporabljajo enostaven, mehanski princip zaviranja in so zato v tej obravnavi primernejše. Med te spadajo: bobnasta zavora, tračna zavora, zavora s ploščatim in s koničnim diskom [8]. - 14 -
Bobnasta zavora Osnova te zavore je boben, ki je del rotacijske osi oziroma gredi. Boben je votel in ima v sebi nameščen sistem zaviralnih čeljusti. Aktivacijska sila je bodisi preko kovinske žice, bodisi preko hidravličnega cilindra, vzvodov in zgibov prenesena na dve, nasprotujoči si čeljusti. Le ti sta ob aktivaciji pritisnjeni ob notranji obod bobna, s čimer je doseženo trenje na stični površini (Slika 2.1). Ta tip zavore je zelo razširjen v avtomobilski industriji in je namenjen predvsem za zaviranje zadnje osi, ter za ročno zavoro ob mirovanju avtomobila. Nekatere izvedbe so uporabljene tudi pri kolesih (dvokolesih).. Slika 2.1 Shema bobnaste zavore Prednosti takšne zavore so številne: Cenejše vzdrževanje. Manj so izpostavljene zunanjim vplivom, saj so zaprte v bobnu Slabosti: Slabo odvajanje toplote Možnost zatikanja zavornih čeljusti na bobnu, zaradi sledi rje Relativno kompleksna izvedba - 15 -
Tračna zavora Sestavljena je iz traku narejenim iz materiala s primernim koeficientom trenja, ki je napeljan po obodu kolesa, bobna oziroma nekega cilindričnega elementa v sestavu zavornega sistema. En konec traku je vpet fiksno, drugi pa na aktivacijsko ročico. Le ta je vrtljivo vpeta v vzgib, ki omogoča ustvarjanje navora na ročico in s tem pritisk traku na obod. Tako pride do trenja med rotacijsko površino in trakom, kar posledično zaustavlja gibanje (Slika 2.2). Ta metoda je uporabna na bobnih vitlov, pri motornih žagah in nekaterih kolesih. Včasih se je uporabljala pri planetnih gonilih, a jo je v večji meri zamenjala zavora s serijo diskov ali sklopka. Slika 2.2 Shema tračne zavore Prednosti: Enostavnost Kompaktnost Robustnost Slabosti Prihaja do zatikanja traku na obodu Nagnjenost k tresenju (neželenemu variiranju zavornega momenta) - 16 -
Zavora s ploščatim diskom Ploščati disk je frontalno, togo pritrjen na rotirajočo os oziroma gred. Zavorne klešče so stacionarno nameščene tako, da objemajo disk vendar z njim do aktivacije niso v stiku. Ko se aktivirajo primejo disk in ustvarijo zavorni moment, ki preko diska deluje na rotirajoč element mehanizma (Slika 2.3). Zavora z diski je zelo uporabna pri vseh vrstah prevoznih sredstev in se uporablja predvsem na pogonskih gredeh vozil, včasih pa tudi na zadnjih oseh. Uporabna je tako pri motornih vozilih kot so avtomobili, motorji, lokomotive, kakor tudi pri kolesih (dvokolo). Slika 2.3 Shema zavore z diskom Prednosti: Dobro odvajanje toplote Ni možnosti neželenega prijemanja Deluje v suhem in mokrem okolju Slabosti: Relativna kompleksnost sestave Nekoliko večja masa komponent - 17 -
Zavora s koničnim diskom Konični disk, je tako kot ploščati disk pritrjen na rotacijsko os. Konični disk je nato aktiviran, tako da nanj pritisne konično sedlo, ki dimenzijsko ustreza konusu in povzroči zagozdenje (Slika 2.4). Slika 2.4 Shema zavore s koničnim diskom Prednost takšnega sistema je nekoliko večji zavorni moment kot pri ploščatem disku, in se uporablja za počasi vrteče mehanizme z malo zdrsavanja, ali pa pri posebnih vrstah dirkalnih vozil. 2.2 Izbira zavornega sistema Kot je bilo že rečeno je povodec izdelek nizkega cenovnega razreda, zato mora biti sestavljen na preprost način in narejen iz poceni materialov. Posebna pozornost mora biti posvečena masi, saj bo uporabnik izdelek nosil v eni roki in hkrati upravljal z zavoro ter nadziral psa. Zaradi tega teža povodca uporabnika ne sme še dodatno obremenjevati. Hkrati bi volumsko preveč zajeten povodec oteževal njegovo upravljanje in kazil samo obliko izdelka, zato zavorni sistem ne sme zavzeti preveliko prostora. Kljub temu pa je potrebno zagotoviti zahtevano funkcijo sistema v podanih okoliščinah uporabe, zato je funkcionalnost še zmeraj prioriteta. Čeprav bi bilo bobnasto zavoro mogoče skriti znotraj navojnega koluta povodca, zaradi tega ne bi bilo potrebno bistveno povečevati volumna izdelka, je takšna zavora kompleksna. Zahteva večje število gibljivih delov, kakor tudi boben z ustreznim koeficientom trenja na notranjem obodu. - 18 -
Zavora z diskom združuje vse najboljše lastnosti zaviranja in bi s tega stališča nedvomno ustrezala. A velika masa in kompleksna sestava bi izdelku znižala ergonomsko ustreznost in zvišala proizvodne in materialne stroške. Zaradi podobnih razlogov se za neustrezno izkaže tudi zavora s koničnim diskom (Slika 2.5). Slika 2.5 Skica aplikacije bobnaste zavore (levo) in zavore z diskom (desno) Ugotovljeno je, da predvsem zaradi svoje enostavnosti in robustnosti a vseeno dovolj velike funkcionalnosti, med preverjenimi možnostmi najbolj ustreza tračna zavora. Njene pomanjkljivosti v tej izvedbi niso tako moteče, kot morda v kakšni bolj kritični aplikaciji (na primer osebno prevozno sredstvo). Tračna zavora omogoča, da se zavorni mehanizem izvede z majhno maso, na preprost način, z minimalno modifikacijo obstoječih komponent (Slika 2.6). A istočasno zagotovi dovolj veliko zavorno silo, ob človeku primerni aktivacijski sili. Slika 2.6 Skica raztegljivega povodca z integrirano tračno zavoro - 19 -
2.3 Zasnova mehanizma Mehanizem, ki bo povodcu omogočal funkcijo postopnega zaviranja bo sestavljen iz sklopov, ki jih v splošnem lahko razdelimo na tri dele. Prvi je zavorni valj, drugi zavorni trak in tretji zavorna ročica. Izhodišče za konstruiranje mehanizma povodca predstavlja osrednje vreteno. Le to bo v tej nalogi povzeto po vzoru obstoječih povodcev, saj bo tudi ta povodec namenjen shranjevanju enake dolžine vrvi. Dimenzijsko je vreteno torej definirano, kakor tudi integrirano zobato kolo. Za realizacijo tračne zavore v kombinaciji s takšnim vretenom, je potrebno dodati še tračno površino, oziroma zavorni valj. Optimalna lokacija takšnega valja bi bila seveda sredina vretena, a to zaradi navitja vodilne vrvice seveda ni možno. Postavitev zgolj enega valja na eni ali drugi strani vretena, bi bila neugodna zaradi neenakomerne obremenitve osi. Uporaba dveh valjev, postavljenih na vsaki strani osrednjega vretena, bi omogočala enakomernejšo porazdelitev sil na osrednjo os. Hkrati bi uporaba dveh ločenih zaviralnih trakov, ob enakih dimenzijah traku, trdnostno veliko bolj ustrezala (Slika 2.7). Slika 2.7 Skica umestitve zavornih trakov - 20 -
Osrednje vreteno je izdelano iz polimera, kar je ustrezno saj le to nima drsnih površin, ki bi bile podvržene obrabi. Do drsenja pride le v ležaju osi, ki pa je podmazano. Zavorna valja pa bosta zaradi zagotavljanja zavorne sile, podvržena precejšnjemu suhemu trenju, kar bo povečalo nevarnost obrabe. Polimer je v tem primeru manj ustrezen, zato je bila najprej preverjena možnost uporabe kovine. Kot zavorni boben bi bilo mogoče uporabiti prirobnico pričvrščeno na plastično vreteno. Zaradi manjše teže, bi lahko kovinsko prirobnico nadomestili zgolj s slojem pločevine pritrjenim na plastično podlago, ki bi v tem primeru lahko bila integrirana vretenu. Dodatno mora zavorni valj vsebovati dvignjeno obrobo, ki preprečuje zdrs traku z bobna (Slika 2.8). Slika 2.8 Shema povsem kovinskih zavornih valjev (levo) in le s kovinskim nanosom (desno) - 21 -
Del sistema je tudi zavorni trak. Tukaj bo izbran trak iz jeklene pločevine, kar bo ugodna rešitev tako trdnostno, kot iz stališča obrabe. Oba trakova bosta umeščena v utor zaviralnega valja, ter na eni strani nepremično pritrjena v ohišje povodca s pomočjo kovinske prečke na katero bosta trakova prikovičena. Takšna prečka bo uporabljena tudi na nasprotnih straneh trakov, le da bo namesto v ohišje pritrjena v gibljivo aktivacijsko ročico. To bo omogočalo ovijanje traku okoli bobna in aktivacijo zavore. A izkaže se, da ob uporabi jeklenega traku in kovinskega zavornega bobna, ni dosežen zadosten koeficient trenja. Boljše tovrstne fizikalne lastnosti je mogoče doseči z uporabo plutovine na mestu zavornega valja. Osrednje vreteno bo zato v celoti plastično, na njem pa bo predvideno mesto za dva plutovinasta vložka, ki bosta naknadno dodana rotacijskemu sestavu. Vložka bosta na vreteno nameščena s pomočjo plastičnih nosilcev in pričvrščena s plastičnim pokrovom, ki bo z obeh strani privijačen na vreteno (Slika 2.9). Slika 2.9 Shema zavornih valjev s plutovinastima vložkoma - 22 -
Potrebna je še zadnja komponenta zavornega sestava, to je ročica. Le ta predstavlja vmesnik za uporabnikovo interakcijo z mehanizmom in preko te bo vodnik nadziral silo zaviranja in s tem vplival na gibanje psa. Tukaj pa pride do razpotja, saj je možnih več načinov postavitve ročice. Ta je odvisna od oblike ohišja, ročaja in izbranega načina stiska aktivacijske ročice. Ena od možnosti je ohranitev konvencionalne oblike ohišja, ob minimalni modifikaciji širine, za zadostitev prostora zaviralnim valjem. V tem primeru ročaj ostane zvest obstoječim rešitvam, aktivacijska ročica pa se poda po obliki spodnje strani le tega. Vležajena je na koncu ročaja, spredaj pa je pritrjena na premično prečko, katere se držita konca zaviralnega traku (Slika 2.10). Uporabnik ročico aktivira s stiskom dlani, a to predstavlja težavo. Ob prvem stisku bi zavorna sila upočasnila odvijanje vrvi iz koluta, in s tem povečala silo s katero pes deluje na povodec. Ta sila bi pa samo aktivacijsko ročico še dodatno pritisnila ob dlan uporabnika in ta je ne bi mogel več razbremeniti, saj bi ob takšni konstrukciji celotna dlan ležala na aktivacijski ročici. Rezultat bi bil zavorni učinek, ki se od navadnega blokirnega sistema ne bi veliko razlikoval in sunek bi ostal problematičen. Slika 2.10 Prikaz aplikacije zavorne sile (prvi primer) - 23 -
Hkrati pa pri tej postavitvi ni mogoče izvesti vzvoda na ročico tračne zavore. Prijemališče uporabnikove sile je bližje točki rotacije, kot pa pritrdišče zavornih trakov. Aktivacijska sila je zato manjša kot pa sila uporabnika, namesto da bi jo sistem preko vzvoda potenciral. Tako obstaja možnost da zavorna sila sploh ne bi bila dovolj velika, kakor hitro pa bi bila bi zavorni sistem deloval kot blokada, zaradi poprej omenjene pomanjkljivosti. Potrebno je poskrbeti, da je prijemališče sile uporabnika, bolj oddaljeno od vrtišča ročice kot pa pritrdišče traku. Samo tako je zagotovljen vzvod. Naslednja izvedba omogoča prav to. Ročaj je postavljen za vretenom in ne nad njim. S tem se podaljša dolžina povodca, a se omogoči vzvod, saj je uporabnikova roka tako bolj oddaljena od vrtišča ročice (Slika 2.11). Da bi preprečili problem neželenega blokiranja, je aktivacija zavore možna zgolj z enim prstom, med tem ko z ostalimi uporabnik drži povodec trdno za ročaj. Tako lahko poljubno nadzira silo zaviranja in zavoro tudi v vsakem trenutku popusti. Ročica je vležajena na obeh straneh ohišja in sicer na zunanji strani. Na mestu ročaja sta obe strani zoženi v sprožilec, s katerim upravlja uporabnik. Gibljiva prečka, povezana z zavornima trakovoma, je širša od ohišja za toliko, da konca le te segata izven ohišja skozi zato namenjeni odprtini na vsaki strani. Konca sta nato vstavljena v utor ročice in nanjo privijačena. Ročica je narejena iz trdega polimera, saj na sami ročici ni predvidenega intenzivnega trenja, ki bi material poškodovalo. Vračanje aktivacijske ročice v prvotni položaj je omogočeno s parom majhnih vzmeti, nameščenih na vsaki polovici ohišja, ki slonita na gibljivi prečki. Slika 2.11 Skica zavornega sistema v raztegljivem povodcu (2. primer) - 24 -
Funkcija, ki jo želi doseči ta naloga je s takšnim sistemom omogočena. Lastnik psa lahko poljubno upravlja z aktivacijsko ročico, medtem ko še vedno trdno drži ročaj. Mehanizem tračne zavore pa posledično poskrbi za ustrezno zaviralno silo. Vendar pa mora povodec vseeno imeti nekakšno blokado, ki povodcu popolnoma prepreči odvijanje vrvi v primerih ko je med vodenjem psa potrebna fiksna dolžina vrvi. Čeprav je tračna zavora zmožna zagotoviti takšno zavorno silo, pa je ob tem potrebno neprekinjeno držati aktivacijsko ročico z zadostno silo. Ob kakršnem koli poskusu fiksiranja ročice v zavornem položaju pa bi nedvomno prišlo do neželenega popuščanja ročice in s tem drsenja zavore. Zato bo v tem povodcu ohranjen sistem blokirnega mehanizma kakršen obstaja v aktualnih povodcih. Le tega bo mogoče uporabljati istočasno z aktivacijsko ročico, saj ima lastnik v tej konfiguraciji sistema prost palec za upravljanje z blokado. 2.4 Dimenzioniranje Določanje aktivacijske sile Za delovanje povodca z zavoro je potrebna aktivacijska sila. Pri določanju le te se pojavijo nekatere omejitve. V tem pogledu je ključnega pomena fizična zmogljivost uporabnika, saj je glede na zasnovo povodca zgolj človek tisti, ki upravlja z zavoro. Ker aktivacijska sila izvira pri lastniku, je potrebno določiti kako bo uporabnik povodec držal, kako bo zavoro aktiviral in kolikšno silo lahko človek proizvede v zasnovanem načinu aktivacije. Obstaja precejšnje število statističnih podatkov iz raziskav o fizičnih zmogljivostih človeka, tako moških kot žensk. Raziskave so opravljene bodisi zaradi ergonomskih študij, bodisi zaradi medicinskih raziskav in obsegajo različne položaje ter načine obremenjevanja. Precejšen segment teh raziskav se ukvarja z obravnavo moči človeške roke. Ozirajoč se na konstrukcijo povodca, specifično obliko in način uporabe aktivacijske ročice, je v primeru povodca z zavoro najbolj relevantna moč kazalca. Medtem ko uporabnik z dlanjo trdno drži ročaj, ki je integralni del ohišja, s prstom kazalcem aktivira zaviralno ročico, tako da prst potegne k svoji dlani. Sila, ki jo pri tem ustvari je specifična glede na starost in spol uporabnika, seveda pa prihaja tudi do variacij znotraj posameznih skupin. Konkretno situacijo aktiviranja zavore povodca, bi lahko primerjali z modelom, ki so ga praktično preizkusili na Univerzi v Virginiji, ZDA. V raziskavi [9] so testirali 100 udeležencev starih od 18 do 65 let, med katerimi je bilo enako število tako moških kot žensk. Merili so moč - 25 -
kazalca, v različnih načinih obremenjevanja, kakor tudi silo ki so jo udeleženci ustvarili s stiskom cele pesti. Kot senzor je bil uporabljen elektronski silomer. Test, ki ima uporabno vrednost v tej nalogi je preizkus moči vlečenja s kazalcem. Udeleženci so z iztegnjeno roko, pri čemer je bila dlan obrnjena navzdol, ukrivili kazalec v srednjem členku za kot 90. S kazalcem so nato potegnili za senzor z maksimalno silo (Slika 2.12). Slika 2.12 Prikaz prijema merilnega senzorja [9] Izkaže se, da je povprečna sila med 100 prostovoljci znašala 60,09 N s standardno deviacijo 25,24 N (Tabela 2.1). Razpon maksimalne sile, s katero lahko posameznik vleče s kazalcem, za obravnavano skupino 100 kandidatov različnih starosti torej znaša od 34,85 N do 85,33 N. Tabela 2.1 Izsledki raziskave o moči kazalca, opravljene na Univerzi v Virginiji, ZDA [9] Povprečna sila (N) 60,90 Standardna deviacija (N) 25,24 V ločeni študiji [10] so preizkusili model uščipa. Udeleženci te raziskave so senzor uščipnili med kazalec in palec z maksimalno silo, kar bi prav tako lahko primerjali z zasnovanim načinom aktivacije zavore. V tej študiji, je povprečna sila za ženske znašala 67 N za moške pa 85 N, medtem ko standardna deviacija za to raziskavo ni navedena. - 26 -
Določanje potrebne zaviralne sile Kakršna koli je že aktivacijska sila, je ta pretvorjena v zaviralno, torej v tisto silo ki dejansko deluje na psa. Zato je potrebno določiti kolikšna zaviralna sila je potrebna za zaustavitev psa, kakršnemu je ta povodec namenjen. Posebnih študij o potrebnih zaustavitvenih silah za pse ni, kakor tudi ni podatkov o maksimalni sili sunka ob blokadi povodca. Mejna zaviralna sila, je sila s katero je lastnik še zmožen zadržati psa. Študija, ki opisuje človekovo zmožnost zadrževanja vlečne sile v različnih položajih, vsebuje tudi primer zadrževanja takšne sile z eno roko v višini komolca [10]. Takšen položaj pa v splošnem ustreza načinu držanja povodca med vodenjem psa. Raziskava je bila opravljena na prostovoljcih, ki so držali za kroglo povezano s silomerom v eni roki in jo hkrati vlekli v višini komolca. Izsledki pokažejo, da v mešani skupini moških in žensk srednja vlečna sila v tem položaju znaša 331 N s standardno deviacijo 111 N (Tabela 2.2). To da razpon vlečne sile od 220 N do 442 N [10]. Tabela 2.2 Izsledki raziskave vlečne moči človeka [10] moški ženske oboji Povprečna sila (N) 400 236 331 Standardna deviacija (N) 58 107 111 V tej nalogi, je bila kot norma za zavorno silo izbrana kar teža psa. To pomeni da je maksimalna teža psa, kateremu je ta izdelek še namenjen, hkrati maksimalna zaviralna sila za katero je dimenzioniran. Po tem modelu znaša zaviralna sila potrebna za zaustavitev npr. 20 kilogramskega psa, 197 N. Po primerjavi s podatki iz raziskave o vlečni moči človeka [10], bi v takšnem primeru povprečen lastnik lahko vodil 34 kg psa, oziroma vsaj 22 kg in največ 45 kg. Odločitev kako težkega psa posameznik vodi, je odvisna od moči vodnika in je stvar individualne presoje ter odgovornosti. Povodec v tej nalogi bo dimenzioniran za maksimalno težo psa 45 kg, kar je nekoliko manj kot je maksimalna dovoljena teža psa za najmočnejše aktualne povodce. Vendar pa se v primeru - 27 -
povodca z zavoro, maksimalna dovoljena teža psa ne nanaša le na trdnost sistema, temveč tudi na zavorno moč mehanizma ob upoštevanju fizičnih sposobnosti človeka. Mehanizem bo torej dimenzioniran tako, da bo lahko povprečen uporabnik z zavoro ustvaril dovolj zavorne sile za popolno zaustavitev 45 kilogramskega psa. Seveda bo s sistemom mogoče ustvariti tudi večjo zavorno silo, vendar bo za to potrebna nadpovprečna aktivacijska sila. Preračun zavore Osnovne enačbe Kot je bilo že navedeno, je bila za ta povodec izbrana tračna zavora. Izkazala se je za najprimernejšo v danih okoliščinah. Tudi aktivacijska sila in potrebna zavorna sila sta bili določeni. Glede na konstrukcijo in dimenzije povodca ter ostale vhodne podatke je potrebno izpeljati preračun in preveriti ustreznost dane rešitve. Najprej bodo prikazane osnovne enačbe in podatki potrebni za teoretični preračun enostavne tračne zavore[11]. Obstajata dve ključni izvedbi tračne zavore, ki se razlikujeta zgolj v smeri vrtenja zaviralnega valja, v odvisnosti od smeri delovanja aktivacijske sile. Prvi primer je izvedba z vrtenjem valja v nasprotni smeri aktivacije zavore. Primer 1: valj se vrti v nasprotni smeri delovanja aktivacijske sile (Slika 2.13) b l T 2 T 1 P Slika 2.13 Shema tračne zavore za primer 1 [11] - 28 -
Dimenziji ki določata navor, ki ga ustvari aktivacijska sila P, sta dolžina vzvoda l, merjena od vrtišča vzvoda in prijemališča sile P, ter dolžina b, ki je definirana kot razdalja med vrtiščem vzvoda in pritrdiščem zavornega traku na vzvodu. Vrednosti T 1 in T 2 predstavljata sile v traku, pri čemer je s T 1 označen bolj obremenjen del traku, s T 2 pa manj obremenjen. V primeru vrtenja valja v nasprotni smeri delovanja sile P, je razmerje med temi veličinami podano tako: b P = T1 (1.1) l P [ N] aktivacijska sila [ ] T sila v bolj obremenjenem delu traku 1 N l [ m] b [ m] razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku Iz tega je razvidno, da je sila v bolj obremenjenem delu traku T 1 ob konstantni aktivacijski sili P obratno sorazmerna z razdaljo b in premo sorazmerna z razdaljo l. V nadaljevanju je določeno razmerje med silo v bolj obremenjenem in manj obremenjenem delu traku, se pravi razmerje med T 1 in T 2. To razmerje določata koeficient trenja med trakom in zaviralnim valjem µ, ter kot objema med trakom in valjem β. Povezava teh veličin je podana tako: T1 T 2 µ β = e (1.2) [ ] [ ] T sila v bolj obremenjenem delu zavornega traku 1 N T sila v manj obremenjenem delu zavornega traku 2 N µ koeficient trenja med trakom in valjem β [ rad] objemni kot med valjem in trakom - 29 -
Mr1 Slednje prikazuje lastnost, da je razmerje med veličinama T 1 in T 2 večje, v kolikor je večji tudi produkt veličin β in µ. In ravno razmerje, oziroma razlika med silo v enem segmentu traku in silo v drugem segmentu je sila, ki ustvari zaviralni navor M br. Le ta je poleg te razlike odvisen še od polmera zavornega valja. Računsko je navor izražen sledeče: ( T T ) M = (1.3) br br [ Nm] [ N 1 ] [ N 2 ] R [ m] 1 2 R M zaviralni navor T sila v bolj obremenjenem delu zavornega traku T sila v manj obremenjenem delu zavornega traku polmer zaviralnega valja Ko so združene vse enačbe, ki opisujejo razmere sil v tračni zavori, je izraz za izračun zaviralnega navora za primer 1 takšen: l = R 1 e b P µ βb ( ) (1.4) M br1 [ Nm] zaviralni navor za primer 1 P [ N] aktivacijska sila l [ m] razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile b [ m] razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku R [ m] polmer zavornega bobna µ koeficient trenja med zavornim bobnom in zavornim trakom β [ rad] objemni kot med zavornim bobnom in zavornim trakom - 30 -
Primer 2: valj se vrti v enaki smeri delovanja aktivacijske sile (Slika 2.14) b l T 1 T 2 P Slika 2.14 Shema tračne zavore za primer 2 [11] V nadaljevanju je pregledano razmerje sil v primeru vrtenja zavornega valja v enaki smeri kot deluje aktivacijska sila. V tem primeru se aktivacijska sila in sila trenja na valju dopolnjujeta, s čimer je mogoče predvidevati, da bo končni zaviralni navor večji, kot v primeru 1. Enačbi 1.2 in 1.3 sta enaki kot v prvem primeru, medtem ko je enačba o vplivu dimenzij l in b drugačna: b P = T2 (1.5) l P [ N] aktivacijska sila T 2 [ N] sila v manj obremenjenem delu zavornega traku l [ m] b [ m] razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile V enačbi je namesto sile v bolj obremenjenem delu traku uporabljena sila v manj obremenjenem delu. Ta sprememba da drugačen izraz za končni zaviralni navor za primer 2: - 31 -
M br2 P l = R 1 b µ β ( e ) (1.6) [ ] [ N] [ m] NmbMr2 zaviralni navor za primer 2 P aktivacijska sila l razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile b [ m] razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku R [ m] polmer zavornega bobna µ koeficient trenja med zavornim bobnom in zavornim trakom β [ rad] objemni kot med zavornim bobnom in zavornim trakom Preračun zavorne sile V primeru, ki ga obravnava ta naloga je uporabljena tračna zavora iz primera 2, torej aktivacijska sila deluje v smeri vrtenja zavornega bobna. Določeno je bilo da bo zavorni mehanizem dimenzioniran tako, da bo povprečen uporabnik lahko zaustavil psa z maso 45 kg. To pomeni da bo s povprečno aktivacijsko silo P pov = 60,9 N, s pomočjo mehanizma dosegel zaviralno silo vsaj F min = 441 N. Mehanizem mora torej zadostiti izrazu F br F min, kar se preveri s pomočjo enačbe (1.7): Ppov l µ β Fbr = ( e 1) Fmin b 60,90 N 0, 079 m 0,5 1,25 ( e π F 1) 577, 73 N 441 N br = = F min = 0,051 m (1.7) P pov [ N] povprečna aktivacijska sila l [ m] razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile b [ m] razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku µ koeficient trenja med zavornim bobnom in zavornim trakom β [ rad] objemni kot med zavornim bobnom in zavornim trakom F [ N] zavorna sila br - 32 -
P Preračun pokaže, da izbrani mehanizem ob danih vhodnih podatkih ustreza. Povprečen uporabnik lahko torej z njim psa dovoljene mase popolnoma ustavi. Trdnostni preračun kovičnega spoja Ker je zaviralni trak med delovanjem tračne zavore pod precejšnjo obremenitvijo je potrebno preveriti ustreznost njegovih dimenzij ter materialnih lastnosti, glede na maksimalno predvideno silo. Prav tako pa je potrebno ugotoviti ustreznost kovice [12]. Najprej bo preverjena trdnostna ustreznost traku. Tukaj je pomemben dejavnik material traku, v tem primeru jeklo, ter njegova meja plastičnosti v utripnem načinu natezne obremenitve. Te vrednosti med uporabo povodca ni dopustno preseči, saj v tem primeru pride do trajne deformacije traku in posledično zavorni mehanizem ni več uporaben. Pomemben je tudi presek traku, ki ga definira njegova širina in debelina. Izbrana debelina traku je d = 1 mm, kar daje traku še vedno dovolj fleksibilnosti, skupna širina obeh trakov na najšibkejšem mestu pa je s = 8 mm. Najšibkejše je mesto spoja traku s kovico. V preračunu bo uporabljena skupna maksimalna predvidena sila v obeh trakovih T max, ki je posledica maksimalne aktivacijske sile P max = 90 N. Le ta je bila izbrana glede na podatke iz poglavja Določanje aktivacijske sile. T T max max l µ β = P max e b 0,079 m 0,5 1,25 π = 90 N e = 993,19 N 0,051 m (1.8) T max [ ] maksimalna sila v zavornem traku [ ] maksimalna aktivacijska sila l [ m] razdalja od vrtišča do mesta delovanja aktivacijske sile b [ m] razdalja od vrtišča do vpetja zavornega traku µ koeficient trenja med zavornim bobnom in zavornim trakom axnmβ [ rad] objemni kot med zavornim bobnom in zavornim trakom - 33 -
Tmax σmax = σ dop (1.9) s d 993,19 N σ = 124,15 MPa 170 MPa 0,008 m 0,001 m = = max σ dop [ N ] [ MPa] [ m] [ m] [ MPa ] T maksimalna sila v zavornem traku max σ maksimalna natezna napetost v zavornem traku s d max dop skupna širina zavornih trakov na mestu kovičenja debelina zavornega traku σ dopustna utripna natezna napetost za jeklo DIN St60 Preverjena je bila maksimalna pričakovana sila s katero bi uporabnik utegnil delovati na aktivacijsko ročico in po preračunu, do plastične deformacije obstaja precejšnje varnostno območje. Kovica, ki je obremenjena s strižno in utripno silo, ima premer stebla D = 3 mm, izbrani material pa je jeklo DIN: RSt 38 z dopustno strižno napetostjo τ dop = 140 MPa. Potrebno je torej zadostiti izrazu: τ τ s s dop Tmax τ s = m n A 993,19 N τ s = = 70, 24 MPa τ 140 2 s dop = MPa 1 2 7, 07mm s [ MPa] [ N] τ strižna napetost v kovici T maksimalna sila v zavornem traku m n max 2 A mm število strižnih ploskev kovice število kovic prečni prerez kovice; A = π D 2 / 4 za polno kovico s premerom stebla D (1.10) Celoten kovični spoj ustreza predvidenim obratovalnim pogojem. Ob predpisani uporabi povodca torej ne pride do napetosti in obremenitev, ki bi trajno deformirale oziroma uničile komponente mehanizma. - 34 -
3 RAČUNALNIŠKO MODELIRANJE Zadnja faza razvoja mehanizma je virtualna prostorska vizualizacija izdelka. S tem so koncepti, ki so bili določeni v fazi konstruiranja dimenzijsko in prostorsko finalizirani. Preverjena je medsebojna postavitev komponent, s takšnim računalniškim prototipom pa je do neke mere mogoče preveriti tudi delovanje povodca. Povodec je bil virtualno modeliran v programu CATIA, uporabljene pa so bile različne metode in orodja, ki jih ta program omogoča. V nadaljevanju so predstavljeni posamezni detajli virtualnega modela, ki prikazujejo način izvedbe sestave ter obliko in medsebojno primerjavo velikosti komponent. Kot je bilo že omenjeno je osrednji element povodca vreteno, zato je ta komponenta predstavljala osnovo za nadaljnje modeliranje izdelka. Osrednje vreteno je v večji meri povzeto po obstoječih primerih, le da so mu dodane določene komponente, kot je bilo opisano v poglavju konstruiranja. Osrednje vreteno vsebuje osrednji del s prostorom za navitje vrvi, integrirano ozobje za blokirni mehanizem, nosilce za plutovinaste vložke, ter prostor v notranjosti vretena namenjen za spiralno vzmet, ki služi vračanju vrvi na kolut. Slednji mehanizem je v celoti povzet po obstoječih rešitvah in v tej nalogi ni podrobneje predstavljen. Temu elementu sta dodana plutovinasta vložka, kot je bilo določeno v fazi konstruiranja. Na vreteno sta pritrjena s pomočjo plastičnih pokrovov in pritrdilnih vijakov (Slika 3.1). Slika 3.1 Zavorna valja z vretenom razstavljena (levo) in sestavljena (desno) - 35 -
V nadaljevanju sta sestavu dodana zaviralna trakova z nosilnima prečkama, eno fiksno in eno premično. Fiksna se pritrdi na ohišje, medtem ko je premična neodvisno od ohišja vpeta na ročico, s pomočjo za to namenjenega utora v ročici in pritrdilnega vijaka. Ker je ročica vležajena v zato namenjeni osi na zunanji strani ohišja, je v le tem predvidena odprtina za premično prečko, ki bo dovolj velika, da bo omogočala nemoteno gibanje mehanizma. Zavorna trakova sta umeščena v žleba med osrednjim vretenom in plastičnima pokrovoma, tako da ne zdrsita z oboda zavornega bobna (Slika 3.2). Slika 3.2 Umestitev zavornih trakov na zavornem valju (levo zgoraj), odprtina v ohišju s premično prečko (desno zgoraj), pritrditev premične prečke v aktivacijsko ročico (levo spodaj) in umestitev mirujoče prečke v ohišje (desno spodaj) - 36 -
Aktivacijska ročica je v celoti postavljena zunaj ohišja. Vlažajena je v tečaja na zunanjih stranicah povodca, ter privijačena na gibljivo prečko zavornega mehanizma (Slika 3.3). Zaradi enostavnejšega postopka sestave povodca je ročica razdeljena v dve polovici, ki sta združeni s pomočjo omenjene vijačne zveze s prečko in tečajev, ki imata plastične zapore za preprečevanje zdrsa ročice z osi. Slika 3.3 Vpetje ročice v tečaj, integriran v ohišje povodca Vračanje ročice v začetni položaj, kadar aktivacijska sila ni več prisotna, je omogočeno s pomočjo vzmeti nameščenih na levi in desni strani ohišja. Plastični elementi integrirani v ohišje služijo ustreznemu pozicioniranju teh vzmeti (Slika 3.4). Slika 3.4 Umestitev vzmeti namenjene vračanju aktivacijske ročice v razbremenjen položaj - 37 -
Blokirni mehanizem je tako kot vzmetni mehanizem osrednjega vretena, v celoti povzet po obstoječih povodcih. Potrebno je bilo zgolj prilagoditi medsebojno pozicioniranje tega mehanizma in komponent tračne zavore, da ne bi prišlo do kolizije elementov (Slika 3.5). Slika 3.5 Glavni elementi mehanizma vključno z blokirnim sistemom Virtualno modeliranje mehanizma in medsebojno pozicioniranje posameznih elementov je s tem zaključeno. Posebna prednost takšnega modela je možnost ugotovitve geometrijskih neskladij in morebitnih težav pri funkcionalnosti sistema. Ker pa je ohišje ključen element in podpora mehanizma, je potrebna tudi njegova virtualna vizualizacija - 38 -
Ohišje bo podrobneje obravnavano v poglavju o oblikovanju ohišja, kjer bo opisan in predstavljen potek celotnega oblikovanja. V tem delu pa je potrebno predstaviti virtualno modeliranje ohišja, kot podporne komponente mehanizma povodca. Integriran del ohišja je mesto za vležajenje osi glavnega vretena, ki ima na eni polovici trn, ki služi vpetju spiralne vzmeti glavnega vretena (Slika 3.6). Slika 3.6 Leva stranica ohišja z integriranim trnom, za umestitev vzmeti Obe polovici ohišja imata pritrdilne elemente, ki služijo združitvi obeh delov ohišja. Ustreznemu pozicioniranju polovic je namenjen utor, ki poteka po obodu ohišja in hkrati poskrbi za zatesnitev ohišja pred vdorom vlage in umazanije. Ohišje je združeno z dvema vijakoma, in dodatnimi, manjšimi veznimi elementi (Slika 3.7). Slika 3.7 Izrez ohišja s prikazom povezave obeh polovic - 39 -
4 OBLIKOVANJE IN REALISTIČNA UPODOBITEV IZDELKA 4.1 Oblikovanje ohišja Po konstruiranju in določitvi ustreznih komponent mehanizma ter njihovi umestitvi v prostoru, je potrebno oblikovati ustrezno ohišje, ki bo prevzelo v prvi vrsti funkcionalno vlogo vmesnika med uporabnikom in izdelkom, vlogo nosilca celotnega mehanizma, izdelku bo dalo njegovo vizualno podobo in ergonomsko obliko, ter ne nazadnje ščitilo notranje komponente pred mehanskimi poškodbami in vdorom umazanije. Poglaviten dejavnik, pri definiciji osnovne oblike, je osrednji kolut z navitjem vrvice ali traku. Le ta oblikovno teži k valjasti obliki. Tudi zavorni sistem bo prilagojen valjastemu kolutu, zato bo ohišje sledilo temu vzorcu. Ker je bil že določen tudi način aktivacije zavore in pozicija aktivacijske ročice, je to ob oblikovanju ohišja potrebno upoštevati. Tudi sicer je izhodišče za oblikovanje sam mehanizem, čez katerega bo napeto ohišje. Potrebno bo določiti primerno pozicijo in obliko ročaja, ki bo omogočal zanesljivo držanje povodca pod obremenitvijo in hkrati dopuščal udobno upravljanje z aktivacijsko ročico. Oblikovne rešitve je možno iskati v dveh ključnih smereh oziroma presekih izdelka, v prečnem in vzdolžnem. Komponente mehanizma omejujejo obliko ohišja v vzdolžni smeri predvsem s premerom koluta, dolžino ročice in območjem gibanja premičnih elementov. V prečni smeri pa gre predvsem za upoštevanje debelin posameznih elementov. Najprej je bila obravnavana oblika ohišja v vzdolžni smeri oziroma v stranskem pogledu, kar da izdelku njegovo osnovno obliko in ima največji vpliv tudi na funkcionalnost. Preverjena je bila minimalistična oblika, s čim manjšim volumnom po vzoru obstoječih povodcev. V tem primeru ohišje tesno objame glavno vreteno, ročaj pa je pozicioniran nad glavnim delom. Aktivacijska ročica je postavljena tako da jo je mogoče aktivirati s prstom znotraj ročaja (Slika 4.1). A hitro je opazno da ob takšni obliki ohišja in poziciji ročice ni prostora za blokirni mehanizem, ki je del sklopa povodca. Tudi upravljanje z zavorno ročico v tem primeru ni najugodnejše. - 40 -
Slika 4.1 Koncept 1 Položaj ročaja povodca je bilo torej potrebno spremeniti tako, da bi omogočal upravljanje z zavorno ročico in hkrati dopuščal prostor blokirnemu mehanizmu. Ročaj je v naslednjem konceptnem primeru zato postavljen izven območja glavnega vretena, blokirni mehanizem pa je umeščen nad njim (Slika 4.2). Povodec tako dobi tudi svojevrstno obliko, ki ni več vezana na obstoječe rešitve ohišij aktualnih povodcev. Upravljanje z ročico je v tem primeru udobnejše in tudi aktivacija blokade je omogočena. Pa vendar bi tak povodec ob obremenitvi zaradi preme oblike ročaja preveč drsel iz rok uporabnika, saj ni predvidene naslonske površine za njegovo dlan. Slika 4.2 Koncept 2-41 -
V kolikor pa je ročaj prelomljen, kot v naslednjem konceptnem primeru, se povodec opira na dlan uporabnika in s tem olajša zadrževanje povodca ob obremenitvi (Slika 4.3). Vendar pa je aktivacija ročice zaradi neugodnega položaja dlani otežena, ročaj pa je zaradi svoje oblike trdnostno manj ugoden. Slika 4.3 Koncept 3 Naslednji koncept združuje nemoteno upravljanje z zavorno ročico in aktivatorjem blokirnega mehanizma z ugodnim naleganjem dlani v ročaj povodca. Ročica je zaprta, zato ob obremenitvi roka ne zdrsne z ročaja (Slika 4.4). Ker je ročaj z ohišjem povezan na obeh koncih tudi ni nepotrebnega navora, ki bi utegnil poškodovati material ohišja. Slika 4.4 Koncept 4 Povodec je v takšni izvedbi funkcionalno ustrezen, toda v stranskem pogledu je razvidno, da je potrebno ohišje oblikovno nekoliko spremeniti. Ker ročaj sega precej vstran od območja mehanizma, ki je obdano s pretežno valjasto obliko ohišja, celoten izdelek zgleda neuravnotežen. - 42 -
Ena od možnih oblikovnih rešitev je malenkostno podaljšanje oziroma raztegnitev sprednjega dela povodca, kjer je odprtina za vrv. V naslednjem konceptu je bila upoštevana slednja sprememba in s pomočjo krivulj, ki druga iz druge prehajajo tangentno, vsi potrebni segmenti dobijo celovito in enotno obliko, z enakomernim potekom površin (Slika 4.5). Slika 4.5 Koncept 5 V nadaljevanju je potrebno izdelek obravnavati prostorsko in upoštevati tudi debelino komponent. Zaradi zavornih kolutov je skupna širina mehanizma večja kot pri konvencionalnih povodcih. Ob poenostavljenem obravnavanju ohišja kot prizme z enakomerno debelino, se pravi z izvlečenjem dvodimenzionalnega koncepta, je razvidno da izdelek deluje okorno in na nek način težko oziroma glomazno (Slika 4.6). Slika 4.6 Prostorska skica ohišja s konstantno debelino - 43 -
Vendar pa je izdelek možno izvesti z variabilno debelino, saj po širini izstopa zgolj kolut z zavornima valjema, ostali elementi pa so opazno ožji. V nadaljevanju je oblika ohišja ločena v dve prizmi različnih debelin, ena prilagojena najširšemu delu mehanizma, druga pa ožjemu. Z združitvijo teh prizem, ohišje dobi stopničasto podobo v dveh nivojih (Slika 4.7). Slika 4.7 Prostorski skici ohišja z variabilno debelino Takšen oster preskok med dvema nivojema za ta izdelek ni primeren. Primernejše bi bilo poskrbeti za zvezen prehod med tema ključnima širinama. Vmesni, povezovalni člen je lahko kar ročaj, ki zvezno prehaja iz širše debeline k ožji (Slika 4.8). Takšna stilizirana oblika polžje hišice s tem poskrbi, da izdelek tudi vizualno deluje kot celota. Aktivacijska ročica zaradi svoje konstrukcije in položaja izstopa, in poleg ključne vloge pri funkcionalnosti, pomembno vpliva na podobo izdelka. Daje mu edinstveno vizualno komponento, saj takšne ročice konkurenčni izdelki nimajo v nobeni izvedbi, medtem ko je ostale vidne komponente povodca mogoče najti tudi pri obstoječih raztegljivih povodcih. S tem je izdelek diferenciran od konkurenčnih in njegova funkcionalnost je tudi vizualno poudarjena ter izpostavljena (Slika 4.9). Tako potencialni uporabnik prepozna izdelek kot povodec z dodatno funkcijo, še preden ga praktično preizkusi oziroma se o njem še dodatno informira. - 44 -
Slika 4.8 Prikaz združitve prizem v integrirano celoto ohišja Slika 4.9 Računalniški model končne oblike ohišja povodca, vključno z elementi - 45 -
4.2 Realistična upodobitev izdelka Realistična upodobitev je bila opravljena s pomočjo programa CATIA. Izvedena je bila z uporabo renderinga, v različnih materialnih in barvnih izvedbah. Glede na predviden način proizvodnje je pri izbiri barve povodca in materiala potrebno upoštevati posamezne elemente izdelka. Ker gre za plastični izdelek, bodo posamezne komponente najverjetneje izdelane s postopkom brizganja plastike. To pomeni da bo tudi barva posameznih komponent homogena (Slika 4.10) v kolikor izdelek ne bo še naknadno barvan, kar pa za takšen izdelek v večini primerov ni predvideno. Lahko pa je izdelek naknadno potiskan (Slika 4.11), ali oblepljen z nalepkami (Slika 4.12). Tukaj je izbira velika, zato so na slikah predstavljene le nekatere izvedbe. Slika 4.10 Realistična upodobitev povodca v modri izvedbi - 46 -
Slika 4.11 Povodec s potiskanim ohišjem in gumijastim nanosom na ročaju Slika 4.12 Povodec z logotipom - 47 -
5 DISKUSIJA Pokaže se, da je povodec precej večji od tistih, ki prevladujejo na tržišču (Slika 5.1). Glede na dodatno mehansko funkcijo in posledično večje število elementov je bilo to pričakovano. Prav tako je ta izdelek namenjen vodenju velikih psov z uporabo petih metrov vrvi, zato je bilo izhodiščno vreteno povzeto po največjih obstoječih povodcih. Po pregledu konkurenčnih izdelkov, ki nudijo dodatne funkcije in zato vsebujejo dodatne elemente je opazno, da se izdelek obravnavan v tej nalogi od njih velikostno bistveno ne razlikuje. Kljub temu je smotrno preveriti potencialne možnosti za reduciranje volumna obstoječega izdelka. K temu bi pripomogla predvsem kompaktnejša izvedba zavornega mehanizma oziroma uporaba kakšnega drugega načina drsečega zaviranja. Slika 5.1 Merska shema povodca Preračun pokaže, da izbran koncept in konstruiran mehanizem zadostita izhodiščnim zahtevam in nudita učinkovito možnost rešitve problema sunkovitega ustavljanja psa. Omogočen je dovolj precizen nadzor zavorne sile, da ne pride do uvodoma opisanih posledic nenadnega blokiranja mehanizma. Z ohranitvijo blokirnega mehanizma izdelek ne izgubi varnostne komponente, ki je sicer prisotna v obstoječih povodcih. - 48 -
Z dodatkom zavornega sistema, se masa izdelka glede na konvencionalni povodec s 5 metri vrvice, poveča za približno tretjino. Tudi zato bi bilo v nadaljnjem razvoju smiselno razmisliti o zmanjšanju predimenzioniranih elementov in uporabi lažjih materialov, predvsem pa o alternativnih metodah doseganja želene funkcije. Opazne so tudi nekatere oblikovne pomanjkljivosti, ki bi v nadaljnjem razvoju takšnega izdelka lahko bile izboljšane. Razvidno je da so bočne stranice izdelka ravne in vzporedne. V okviru oblikovanja izdelka le te niso bile dodatno izbočene zaradi težnje po ožjem videzu ohišja, ki je zaradi mehanizma že precej široko. Hkrati vzporedne stranice omogočajo lažjo izvedbo zunanjega vležajenja aktivacijske ročice. Vendar pa oblikovno vzporedne stranice niso optimalne in lahko pripeljejo do deformacij po brizganju plastike, saj gre za relativno veliko ploskev brez dodatnih ojačitev. Torej bi tako iz oblikovalskega kot iz proizvodnega vidika bilo v prihodnje smiselno te stranice nekoliko izbočiti, zlasti v primeru splošne redukcije širine povodca (Slika 5.2). Slika 5.2 Izbočenje stranic ohišja - 49 -