Optimalisatie van den nokkenas van een borstelmachine
De masterproef handelt over een herontwerp van een nokkenas van een machine om tandenborstels te produceren, met als doel om de machine soepeler te doen draaien en de trillingen te reduceren. De nokkenas bestaat uit 4 nokken, die elk een hefboom aansturen die hierdoor een bepaalde beweging uitvoert.
Bij een tandenborstelmachine wordt er vertrokken van een tandenborstel steel met enkel gaten in de borstelkop. Het doel van de machine is om vezels aan te brengen in deze gaten. De nokkenas stuurt de bewegingen aan die ervoor zorgen dat de vezels in de borstel worden aangebracht.
Een nok bestaat eigenlijk uit 2 delen: de nok en de tegennok. De nok duwt tegen een lager ( nokkenrol genoemd) die er voor zorgt dat de hefboom in de ene richting draait, de tegennok duwt tegen een tweede nokkenrol van dezelfde hefboom die er voor zorgt dat de hefboom in de andere richting draait. De vormen van de 2 delen van de nok bepalen de beweging van de hefboom. Op deze manier worden 4 hefbomen aangestuurd die er samen voor zorgen dat er per toer van de nokkenas telkens een vezelbundel in de kop van een tandenborstel terecht komt.
Het ontwerp van de nokkenas gaat als volgt te werk:
De afmetingen van de machine liggen al volledig vast, het enige dat nog aanpasbaar is, is de vorm van de nokken; dit is de nokcontour. Deze vorm bepaalt hoe een hefboom, die door een nok wordt aangestuurd, zal bewegen, het uiteindelijke resultaat zal dus de vorm van de nokken zijn.
We beginnen met het bepalen van de bewegingen van de hefbomen, dit gebeurt doormiddel van het computerprogramma Matlab. Elke beweging wordt door een functie beschreven. Het doel is dus om voor elke beweging de ideale functie te vinden. Wat is nu een ideale functie? De voorwaarden zijn enerzijds dat de bewegingen nooit in contact komen met elkaar, anders zou er breuk in de machine ontstaan. Anderzijds moet de versnelling en de ruk zo laag mogelijk gehouden worden omdat de versnelling een indicatie is voor de krachten die op de hefbomen en nokkenrollen terecht komen. De ruk is een indicatie voor hoe de krachten zullen variëren. Een grote ruk zorgt namelijk voor een plotse toename van krachten, wat voor een “schok” kan zorgen.
Nadat de bewegingen volledig beschreven zijn door functies, wordt via deze functies de vorm van de nokken bepaald. Hiervoor wordt het tekenprogramma NX van Siemens gebruikt. Dit gebeurt als volgt: in het tekenprogramma is er een tool aanwezig om in het 3D model van de machine de functies aan de verschillende hefbomen te koppelen, zodat de hele beweging van de machine kan gesimuleerd worden. Daarna wordt op verschillende tijdstippen vastgelegd waar de nokkenrollen van de nokkenas zich bevinden. Op deze manier worden de contouren van de nokken vastgelegd uit een reeks van positiepunten. Na de theoretische bepaling van de functies wordt een eerste vergelijking gemaakt tussen de huidige en nieuwe nokken, waarbij er gekeken wordt naar de vorm van de grafieken, en de maximale waarden van de versnelling en ruk.
Nadat de verschillende vormen van de nokken bepaald zijn wordt het massacenter van de gehele nokkenas in het draaipunt van de nokkenas geplaatst. Dit gebeurt doormiddel van gaten die in de nokken aangebracht worden. Op deze manier wordt de nokkenas perfect uitgebalanceerd zodat er geen trillingen kunnen ontstaan door een onbalans in de nokkenas. Een extra voordeel van de gaten in de nokken is dat de massatraagheid van de nokkenas daalt.
Wanneer het ontwerp van de nokken af is, worden deze geproduceerd. Draaien, frezen en slijpen doet men in het bedrijf zelf, het harden wordt uitbesteed aan een externe firma die hierin gespecialiseerd is.
Vervolgens worden trillingstesten uitgevoerd op de machine uitgerust met de huidige nokken. Na de productie worden de nieuwe nokken gemonteerd op de borstelmachine en worden ook hierop trillingstesten uitgevoerd. Op deze manier kan een relatieve vergelijking gemaakt worden tussen de huidige en de nieuwe nokken om zo te achterhalen of de nieuwe nokken daadwerkelijk beter zijn. Er wordt nu dus opnieuw een vergelijking gemaakt tussen de huidige en nieuwe nokken, maar deze keer in de praktijk. Zo kan de theorie aan de praktijk afgetoetst worden.
Naast de praktijktesten wordt er een levensduurbepaling gemaakt van de nokkenrollen doormiddel van de krachten die op de rollen worden uitgeoefend, deze geven een indicatie voor de levensduur van de gehele nokkenas. Naast een levensduurbepaling wordt ook de kostprijs van de nokken bepaald.
Als laatste wordt een besluit genomen van het uiteindelijke resultaat: wat zijn nu de voordelen of nadelen aan het gebruik van Matlab en zijn de nieuwe nokken nu daadwerkelijk beter?
