VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY O TECHNOLOGY AKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ ACULTY O MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE O AUTOMOTIVE ENGINEERING PÍST ČTYŘDOBÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU O VÝKONU 85 KW PISTON OR 85 KW 4-STROKE SI-ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR DAVID PETR ING. RADIM DUNDÁLEK, PH.D. BRNO 008

2 Antace: David Petr Píst čtyřdbéh záţehvéh mtru výknu 85kW Tat bakalářská práce se zabývá návrhem pístu d čtyřdbéh záţehvéh mtru.je třeba navrhnut základní rzměry mtru a klikvéh mechanizmu, tak aby byl píst schpny pracvat v nárčných pdmínkách kterým je p dbu svéh prvzu vystavván.píst se musí také zkntrlvat pevnstními výpčty. Klíčvá slva:píst, mtr, klikvý mechanizmus, pístní kruţky, pístní čep Anntatin David PETR Pistn fr a 4-strke utput 85 kw This Bachelr wrk deals with the design f a pistn fr a 4-strke SI-engine.It is attentin t main dimensins f the pistn, t make it able t wrk in difficult cnditins as expsed fr th time his wrk. It als check deals with its calculatins which make it slidity. Key wrds: Pistn, engine, crank mechanism, pistn ring, wrist-pin; BRNO 008 Strana 1 David PETR

3 Čestné prhlášení: Prhlašuji ţe jsem tut bakalářsku práci vypracval samstatně, pd vedením veducíh bakalářské práce pana Ing.Davida Svídy a s puţitím uvedené literatury. V Brně dne David Petr BRNO 008 Strana David PETR

4 Obsah 1.Úvd... 5.Pístní skupina Píst Tepelné namáhání pístu Chlazení pístu Pístní Kružky Těsnící pístní kružky Stírací pístní kružky Pístní čep Výpčet pístu spalvacíh mtru [1] stanvení hlavních rzměrů pístu Zdvihvý bjem válce Vz (m 3 ) bjemvý výkn mtru P l (kw) vrtaní válce D (m) velikst zdvihu Z (m) střední pístvá rychlst C s (m/s) Návrh hlavních rzměrů pístu Výška Pístu (mm) Kmpresní výška pístu Hk (mm) Výška pláště H pl (mm) Výška prvníh můstku H m1 (mm) Vzdálenst mezi nálitky pr pístní čep H (mm) Průměr pístníh čepu D č (mm) Vnitřní a vnější průměr pístníh čepu D i a D a (mm) Výška druhéh můstku H m (mm) Výška statních můstků Hm (mm) Vzdálenst segervých kružků H č (mm) Tlušťka dna pístu (mm) Drážky pr pístní kružky Radiální vůle pístníh kružku Axialní vůle pr pístní kružek Drážka pr stírací pístní kružek: Tlušťka stěny pláště pístu Pevnstní výpčet pístu...6 BRNO 008 Strana 3 David PETR

5 3.4. Maximální hybvý mment M max (Nm) Mment dpru v phybu W (m 3 ) Maximální hybvé napětí, max (pa) Maximální hybvé napětí pr vetknutu desku, max Nejslabší míst pláště pístu Maximální síla d talku plynů p max (N) Minimální příčný průřez pístu v drážce pr pístní kružek Sx (mm ) Napětí vyvlané tlakem plynů tl, max (pa) Setrvačná síla sp, x (N) Tahvé napětí ve vyšetřvaném průřezu t (pa) Měrný tlak na plášti pístu Celkvá síla vyvlaná silami setrvačnými a d tlaku plynů c (N) Maximální nrmálvá síla n, max (N) Měrný tlak na plášti pístu p pl (pa) Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kružkem Výsledný silvý účinek na můstek m (N) Ohybvý mment M (Nm) Mdul dpru v hybu W (m 3 ) Ohybvé napětí (pa) Průřez v místě vetknutí S (m ) Smykvé napětí (pa) Redukvané napětí red (pa) Závěr Puţitá literatura Puţité symbly BRNO 008 Strana 4 David PETR

6 1.Úvd V dnešní dbě se lidé ptřebují čast dpravit z bdu A d bdu B velice rychle.dříve k tmu puţívali kně. V sučasnsti jim jak dpravní prstředek sluţí autmbil, který většinu pd kaptu skrývá pěkných pár kňských sil. Autmbil a statní mtrvé dpravní prstředky jsu pháněny pmcí spalvacíh mtru. Histrie těcht mtrů sahá d 18. stletí, kdy J.J.Etienne Lenir sestrjil první puţitelný spalvací mtr na svítiplyn. V dnešní dbě uţ máme spalvací mtry, které puţívají jak paliv benzin,naftu a zemní plyn. Autmbilvý průmysl u nás tvří velku část naší eknmiky a naše země patří mezi významné vývzce aut a mtrů d celéh světa. Většina výrbců se drţela starých a svědčených knstrukcí, které jsu však nešetrné k ţivtnímu prstředí a čast neeknmické. Prt dchází k mdernizaci výrbních pstupů a apeluje se čím dál více na eklgii vzidel. Autmbilky chtějí většinu přilákat zákazníky na nízku sptřebu vzidla a jeh nízku cenu.eklgické rganizace zase tlačí na autmbilky, aby nvá auta byla c nejšetrnější k ţivtnímu prstředí.díky tmu vznikl spustu nvých technlgií v autmbilvém průmyslu. Jednu z mţnstí, jak zlepšit vlastnsti mtru je sniţvaní jeh hmtnsti. Sniţvat hmtnst můţeme i u klikvéh mechanizmu, který je jednu z hlavních částí mtru a t při zachvání vlastnstí mtru. V dnešní dbě si t můţeme dvlit díky nvým materiálům, které vydrţí velké silvé a tepltní namáhání. Mtr je pháněn pmcí klikvéh mechanizmu, který přímčarý vratný phyb pístu přemění na táčivý phyb ve frmě krutícíh mmentu na klikvém hřídeli.píst je nejvíc namáhaná sučást v klikvém mechanismu a v mtru celkvě.prt jsu na něj kladeny vyské pţadavky na ţivtnst a jeh tepelnu dlnst.sučástí tét bakalářské práce je návrh základních rzměrů pístu a jeh pevnstní kntrla v kritických místech pístu.snaţil jsem se navrhnut píst tak, aby vyhvval všem mderním trendům ve výrbě a zárveň splňval všechny pţadavky na ţivtnst a prvzuschpnst. BRNO 008 Strana 5 David PETR

7 .Pístní skupina AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ Pístní skupina(obr.1) se skládá z těsnících a stíracích pístních kruţků,z pístníh čepu a z pístu.jsu na ni kladeny následující pţadavky: zabezpečení přensu síly d tlaku plynů na jnici zachycení bční síly d klikvéh mechanizmu a její přens na stěnu válce utěsnění spalvacíh prstru tak,aby byl mezen únik spalin d klikvé skříně mtru a průnik mtrvéh leje d spalvacíh prstru zabezpečení přensu tepla ze dna pístu d chlazených stěn spalvacíh prstru Při nedstatečné těsnsti dchází ke zvýšenému prfukvání spalin a vnikaní leje d neţáducích prstr. Tím vznikají neţáducí jevy, jak je náchylnst k tvrbě karbnu, větší sptřeba leje a paliva,zvýšení ptřebení,případně zapečení pístních kruţků, neb úplné zadření pístu vlivem nedstatečnéh mazání. [,3] Obr.1 Pístní skupina [5] BRNO 008 Strana 6 David PETR

8 .1 Píst Píst (Obr.) je sučástí klikvéh mechanizmu mtru.klikvý mechanismus přeměňuje přímčarý phyb vratný pístu, na táčivý phyb klikvéh hřídele. Obr.Knstrukční prvedení pístu Píst je jednu z nejvíce namáhaných částí mtru, půsbí na něj mechanické síly, síly d tlaku plynů a setrvačné sily vyvlané vratným phybem pístu a tepelně d vyských teplt spalin ve spalvacím prstru mtru. Charakter zatěţujících účinků je rázvý, vyvlaný prudkým nárůstem tlaku a teplty ve spalvacím prstru. Sučasně v důsledku cyklických změn těcht zatěţujících účinků, dchází k únavvému namáhání materiálu pístu. Píst je vystavěn časvě velice prměnlivým tlakům s vyskými špičkvými hdntami (u záţehvých mtrů 5-6 MPa u přeplňvaných vznětvých mtrů 1-14 MPa) a stejně tak velmi prměnlivým tepltám náplně ve válci (d 350 aţ d 800 K u záţehvých mtrů a d 350 d 00 K u přeplňvaných vznětvých mtrů). Velké mechanické namáhání pístu způsbují setrvačné síly (zejména u rychlběţných autmbilvých mtrů prt patří pţadavek na nízku hmtnst pístu mezi důleţitá kritéria pr knstrukci pístu). [,6] BRNO 008 Strana 7 David PETR

9 Aby píst splnil všechny pţadavky, které jsu na něj kladeny musí mít následující vlastnsti: dbru tepelnu vdivst aby nenastali velké tepltní rzdíly v materiálu pístu vysku tepelnu dlnst velku tuhst dna pístu a pddajnu vdící plchu velku tuhst v blasti pístních kruţků aby se zabránil jejich vytlukání malu hmtnst aby se zabránil velkým setrvačným silám v klikvém mechanizmu malu tepelnu rzpínavst a tím malu vůli ve válci.1.1 Tepelné namáhání pístu V důsledku příméh kntaktu se spalinami je nejvíce tepelně namáhán dn pístu, hrní můstek a bzvláště pak přechdvé hrany mezi dnem pístu a hrním můstkem. Přestup tepla d pístu závisí na veliksti plchy mývané hrkými spalinami. Prt u mtrů s vysku tepltu spalvacíh prstru je snaha minimalizaci plchy dna pístu. Mim tepl které píst přejímá d spalin je tepelně zatěţván d tepla které vzniká třením mezi pístem,pístními kruţky stěnu válce. Odvd tepla z pístu d stěn válce je zprstředkváván pístními kruţky, můstky mezi kruţky a pláštěm pístu. U pístů, které nejsu chlazeny lejem, je puze nevelká část tepla, cca 5 aţ 10 %, dváděna pmcí vzduchu a lejvé mlhy z vnitřníh pvrchu pístu d leje v klikvé skříni. Prvnání teplt jedntlivých částí pístu mtru záţehvéh a vznětvéh je uveden na (Obr.3). Sučasně jsu uvedeny i rzdíly teplt pr chlazené vzduchem a kapalinu. U pístů mtrů chlazených vzduchem je nejen vyšší celkvá úrveň teplt, ale i vyšší gradient teplty mezi jedntlivými částmi pístu neţ u pístů kapalinu chlazených mtrů. Písty všech sučasných mtrů jsu vyráběny z hliníkvých slitin. Maximální pvrchvá teplta pístů z hliníkvé slitiny by neměla překrčit u běţných litých pístů hdntu cca. 30 C, kdy jiţ dchází k výraznému pklesu pevnsti hliníkvých slitin.[,3] BRNO 008 Strana 8 David PETR

10 Obr.3 rzlžení teplt na dně a plášti pístu [4].1. Chlazení pístu Překrčí-li teplta v dráţce prvníh pístníh kruţku 40 C je nutn zabezpečit její sníţení pmcí chlazení pístu. V sučasné dbě se puţívá prakticky u všech přeplňvaných mtrů a t jak záţehvých, tak i vznětvých a je puţit i u některých značně zatíţených mtrů nepřeplňvaných. U méně zatíţených mtrů se puţívá nástřik dna pístu, (br. 4), a u mtrů více zatíţených je vytvřen chladicí kanál v hlavě pístu, (br. 5) Nástřik dna pístu lejem sniţuje tepltu v dráţce prvníh pístníh kruţku asi 0 C. Puţití chladícíh kanálu pak cca 40 C. Pdíl jedntlivých tepelných tků na dvdu tepla z pístu spalvacíh mtru jsu uvedeny v tab.1.[] BRNO 008 Strana 9 David PETR

11 Obr.4 Nástřik dna Pístu. [] Obr.5 Chlazení lejem: [3] 1-střikvací dýza -chladící prstr Tab.1 Nechlazený píst Nástřik dna pístu Chladící kanál Chladící lej 45% 68% kruţky 6% 41% 18% Vzduch v lejvé skříni 4% 8% 8% Plášt pístu 14% 6% 6% BRNO 008 Strana 10 David PETR

12 . Pístní Kružky AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ Pístní kruţky sluţí k utěsnění pístu ve válci (těsnící kruţky Obr.6), k zamezení průniku mazacíh leje d prstru válce nad píst (stírací kruţek Obr.7) a velký význam mají pr dvd tepla z pístu d stěn válce. Těsnící kruţky jsu mimřádně namáhány tepelně a mechanicky (zejména 1. těsnící kruţek), mezi těsnícími kruţky a válcem dchází k plsuchému tření při relativně velkém přítlaku kruţků na válec s vyským zatíţením dráţek v pístu pr těsnící kruţky. Knstrukce pístních kruţků musí zajistit pkud mţn rvnměrný přítlak k válci (mntáţ pístních kruţků d dráţek v pístu umţňuje jejich radiální rzříznutí a t zhršuje rvnměrnst přítlaku knstrukcí kruţku s tzv. krigvaným přítlakem lze tent stav zlepšit). Výška pístních kruţků závisí na rzměru pístu, bvykle se phybuje v rzmezí -4 mm, ve stejném rzsahu se phybuje i rzměr radiální šířky kruţku: příčný radiální průřez těsnících kruţků má v nejjedndušším případě bdélníkvý tvar, ke zlepšení funkčních vlastnstí těsnících kruţků se ale puţívají průřezy ve tvaru lichběţníku (trapézvý), L prfilu, s úksem apd. V místě přerušení na bvdu pístníh kruţku vzniká tzv. zámek kruţku,druhy zámku jsu na (Obr.8) u čtyřdbých mtrů se plha zámku nepjišťuje (při mntáţi pístu d válce se zámky u jedntlivých pístních kruţků rzdělují p bvdu pístu rvnměrně). Stírací kruţek zajišťuje stírání mazacíh leje ze stěn válce přes průřezy ve stíracím kruţku d dráţky pr stírací kruţek (někdy i tvry pd dráţku pr stírací kruţek) a přes vnitřní prstr v pístu d prstru klikvé skříně. Pístní kruţky jsu vyráběny ze speciální litiny, příp. celi: První.těsnící kruţek má na činné plše pvrchvu úpravu tvrdchrmem pr zvýšení ţivtnsti kruţku i válce. [,6] BRNO 008 Strana 11 David PETR

13 Obr.6 Těsnící pístní kružky [7] Obr.7 Stírací pístní kružky [7] a)klmý zámek b)šikmý zámek c)tvarvý zámek d-e) ukazují zámky dvudbých mtrů jejichţ plha je na pístu zajišťvána čárkvaně naznačeným klíčkem. Obr.8 Zámky pístních kružků [4] BRNO 008 Strana 1 David PETR

14 ..1 Těsnící pístní kružky AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ Pístní kruţek s válcvu těsnící plchu (br. 9 a), nazývaný také pravúhlý pístní kruţek, bývá velmi čast puţíván v první dráţce pístu. Dříve měla hlavní těsnící plcha čistě válcvý tvar. Takt řešené kruţky se zachvaly u mál výknných mtrů dvudbých a mtrů malé mechanizace. Pr sníţení ptřebení bývá tat plcha pkryta galvanicky nanesenu vrstvu tvrdchrmu. Pměrně vyské třecí ztráty i nevhdné vlastnsti z hlediska regulace výšky lejvé vrstvy na stěně válce vedly k zavedení zablené těsnící plchy, tzv. prvedení ballig. [] Obr.9 Druhy prfilů těsnících kružků [] BRNO 008 Strana 13 David PETR

15 .. Stírací pístní kružky AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ U čtyřdbých mtrů regulují stírací pístní kruţky tlušťku lejvé vrstvy na stěně válce tak, aby byla stykvá plcha válce a pístu c nejlépe mazána a sptřeba leje v důsledku jeh spálení byla c nejmenší. Pdle knstrukčníh prvedení je můţeme rzdělit na : litinvé pístní kruţky vyuţívající pr přítlak na stěnu válce vlastní pruţnsti litinvé, neb celvé pístní kruţky se zvýšeným přítlakem vyvlaným expanderem, skládané celvé kruţky. Obr.10 Prfily stíracích pístních kruţků [3] Přítlak stíracíh kruţku musí být pměrně vyský, kdyţ má kruţek stírat přebytečný tlak ze stěn válce a prpustit k těsnícím kruţkům jen tlik leje, klik ptřebují kvůli mazání kluzných plch. Setřený lej se dvádí d prstru klikvé skříně tvry v pístu. Nesetřený lej se dpravuje ke kluzným plchám čerpacím účinkem kruţků. Odtkvý tvr leje nesmí být malý,aby nedšl ke škrcení průtku s nadměrným vzrůstem tlaku v prstru za kruţkem. Tent tvr nemůţe být ani příliš velký => sníţil by se tlakvý spád za kruţkem a dtkvá rychlst leje by byla příliš nízká. Litinvé těsnící kruţky mají dtkvé štěrbiny a tvry. Zksení stíracích kruţků bývá 4-5 kdyţ mají velku válcvu plchu, skln je 18 aţ 0 [,7] BRNO 008 Strana 14 David PETR

16 .3 Pístní čep AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ Pístní čep (br.11) patří rvněţ mezi sučásti pístvéh spalvacíh mtru s vyským mechanickým zatíţením: je namáhán silu d tlaku plynů na píst i silu setrvačnu (d hmtnsti pístu s pístními kruţky i hmtnsti samtnéh pístníh čepu). Je ulţen v tvrech pístu (tzv. kách pístu pd kruţkvu partií pístu) buď pevně (mntáţ chladnéh čepu d hřátéh pístu), nejčastěji ale jak plvucí (br.13): prti axiálnímu psuvu je v pístu zajištěn pjistnými kruţky.(br.1) Knstrukčně je pístní čep řešen jak tluststěnná trubka: je vyrben z velmi kvalitní celi s tepelným zpracváním a vysku kvalitu pvrchu vnějšíh průměru. Vhledem ke specifickým pměrům v ulţení a zatíţení pístníh čepu v pístu musí být při knstrukci velmi pečlivě vyšetřena celá skupina píst-pístní čep, aby byl minimalizván rizik příp. prblémů v mtru. Pístní čepy pr záţehvé mtry jsu nrmalizvány nrmu ČSN a pr mtry vznětvé nrmu ČSN Zhtvují z cementačních celí např. 1010, 1410, 150, [,6] Obr.11 Mžné prvedení pístníh čepu [3] Obr.1 axiální pjištění pístníh čepu [3] BRNO 008 Strana 15 David PETR

17 Obr.13 Výchylky čepu a) při plvucím prvedení b) při pevném prvedení [3] 3.Výpčet pístu spalvacíh mtru [1] Mezi hlavní rzměry pístu patří: průměr (vrtaní) válce D zdvih pístu Z pčet válců mtru i Tyt rzměry určují hlavní zástavbvé rzměry mtru.základním parametrem pr výpčet je zadaný jmenvitý výkn mtru.mtr je 4-válcvý, záţehvý.s přirzeným sáním vdu chlazený. Zadané hdnty: Pe = 85 kw výkn mtru n= /min táčky BRNO 008 Strana 16 David PETR

18 3.1 stanvení hlavních rzměrů pístu Zdvihvý bjem válce Vz (m 3 ) n Pe pe Vz i VZ 60 Pe VZ n pe i VZ ,3 10 0, V 0, m Z V z =>0, m 3 (1) Tab. Prvnání charakteristických parametrů záţehvých mtrů [1] MOTORY záţehvé rk jmenvité táčky [min -1 ] stř. píst. Rychlst [m.s -1 ] stř. efekt. tlak [MPa] kmpresní pměr [-] zdvihvý pměr [-] min. max min max min max min max min max bez ,6 14,7 0,6 1,1 6,6 9 0,8 rzlišení bez ,6 rzlišení sací přeplňvan é bjemvý výkn [kw.dm -3 ] min max.. 1, ,5 7,5 10,5 0,7 1, ,8 1,3 9 1,5 0,7 1, ,1 8 10,5 0,8 1, Stanvení parametrů ptřebných pr výpčet prvedeme z Tab. [1] p e = 1,3x10 6 [Pa] τ = 0,5 [-] i = 4 [-] k=0.8 - střední efektivní tlak - taktnst mtru, pr čtyřdbý mtr - pčet válců mtru - zdvihvý pměr BRNO 008 Strana 17 David PETR

19 3.1. bjemvý výkn mtru Pl (kw) Pe Pl 1000 V i Pl , P 70,1kW l l z 1 AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ P l =70,1 kw/l () vrtaní válce D (m) Rvnici pr výpčet vrtaní dstaneme z rvnice zdvihvéh bjemu. D Vz 4 K D Z Z (3) (4) Vyjádřením Z z rvnice (4) a dsazením d (3) dstáváme (5). D D 3 3 Vz k 4 0, ,8 D 0,0784m 0,08m D=> 80mm (5) velikst zdvihu Z (m) Z Z Z k D 0,8 0,08 0,064m Z=> 64mm (6) střední pístvá rychlst Cs (m/s) c c c S S S n Z 60 0,064 1,8m s C s =>1,8 m/s (7) BRNO 008 Strana 18 David PETR

20 Pvlená hdnta střední pístvé rychlsti je cs= 19m/s.Mje vypčtená hdnta spadá d tét blasti. 3. Návrh hlavních rzměrů pístu Určení jedntlivých rzměrů pístu vychází z jichţ dříve prvedených a svědčených knstrukcí.(tab3) Pmcí sbírky grafu určíme hlavní rzměry v závislsti na veliksti vrtaní válce D. Tab.3 Dpručené meze charakteristických rzměrů pr píst zážehvéh mtru. [1] Pr stanvenu hdntu vrtání válce D, určenu z výpčtu hlavních rzměrů mtru,určíme tyt hlavní rzměry. a) výšku pístu Hp, b) kmpresní výšku pístu Hk, c) výšku pláště pístu Hpl, d) výšku prvníh můstku Hm1, e) vzdálenst mezi nálitky pr pístní čep H, f) zvlíme průměr pístníh čepu φ Dč : φ Da - vnější, φ Di - vnitřní, g) výška druhéh můstku Hm vlí se.5 aţ 3.5 násbek tlušťky prvníh pístníh kruţku h1, h) výška statních můstků Hm, se vlí : u benzinvých mtrů D i) dráţky pr pístní kruţky - vychází z sazení pístu pístními kruţky. BRNO 008 Strana 19 David PETR

21 Obr.14 Hlavní rzměry pístu 3..1 Výška Pístu (mm) H p = 1 D H p = 1 80=80 mm =>H p =80mm (8) Obr.15 Výška pláště pístu H p v závislsti na vrtání válce D [1] BRNO 008 Strana 0 David PETR

22 3.. Kmpresní výška pístu Hk (mm) H k =0.5 D= AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ H k =0.5 80=40mm =>H k =40mm (9) Obr.16 Kmpresní výška pístu H k v závislsti na vrtání válce D. [1] 3..3 Výška pláště Hpl (mm) H pl = 1.56 D Hpl= =45mm =>H pl = 45mm (10) Obr.17 Výška pláště H pl v závislsti na vrtání válce D. [1] BRNO 008 Strana 1 David PETR

23 3..4 Výška prvníh můstku Hm1 (mm) H m1 = 0.1 D AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ H m1 = =8mm =>H m1 =8mm (11) 3..5 Vzdálenst mezi nálitky pr pístní čep H (mm) H = 0.,37 D H = 0.,7 80= 30mm =>H =30mm (1) 3..6 Průměr pístníh čepu Dč (mm) D č = 0.8 D D č = =3mm =>D č =3mm (13) 3..7 Vnitřní a vnější průměr pístníh čepu Di a Da (mm) Vnitřní i vnější průměr vlím dle br. 18 Vnější D a 5mm Vnitřní D i 18mm Obr.18 Vnější Da a vnitřní průměr Di pístníh čepu v závislsti na vrtání válce D [1] BRNO 008 Strana David PETR

24 3..8 Výška druhéh můstku Hm (mm) H m = 0.05 D H m = =4mm H m => 4mm (14) 3..9 Výška statních můstků Hm (mm) H m = 0.03 D H m = =.4mm H m =>.4mm (15) Vzdálenst segervých kružků Hč (mm) Hč = 0.85 D Hč= =68mm Hč => 68mm (16) Tlušťka dna pístu (mm) Z pevnstních důvdů vlím větší tlušťku dna neţ je bvyklé. Vlím =8mm 3.3 Drážky pr pístní kružky Radiální vůle pístníh kružku D R = D vnější průměr kruţku v namntvaném stavu (vrtání válce) d R vnitřní průměr kruţku v zamntvaném stavu d N průměr dráţky pr pístní kruţek v pístu S p radiální vůle pístníh kruţku Obr. 19 Radiální vůle pístníh kruţku [1] BRNO 008 Strana 3 David PETR

25 S p vlím pdle dpručené literatury [1] 0,6 mm a šířka pístníh kruţku, vlím dle nrmy DIN d d d N N N d N průměr dráţky pr pístní kruţek v pístu D ( a S P ) 80 (3,35 0,6) => d n = 7.1 mm (17) 7,1mm 3.3. Axialní vůle pr pístní kružek Rzhdujícím vlivem je pravděpdbnst vzniku karbnvých úsad. Prt u prvníh pístníh kruţku, kde v důsledku vyských teplt je nebezpečí vzniku karbnvé vrstvy značné, jsu axiální vůle větší neţ u druhéh pístníh kruţku. dle nrmy DIN axiální vůle prvníh kruţku: dráţka pístní kruţek 1,5 mm 0,050 0,035 1,5 mm 0,010 0,0 maximální vůle kruţku v dráţce - 0,07 mm minimální vůle kruţku v dráţce - 0,045 mm axiální vůle druhéh pístníh kruţku: dráţka pístní kruţek 0,040 1,75 0,05 mm 0,010 1,75 0,0 mm maximální vůle kruţku v dráţce - 0,06 mm minimální vůle kruţku v dráţce - 0,035 mm BRNO 008 Strana 4 David PETR

26 axiální vůle stíracíh pístníh kruţku: AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ dráţka pístní kruţek 0, ,05 mm 0, ,0 mm maximální vůle kruţku v dráţce - 0,06 mm minimální vůle kruţku v dráţce - 0,035 mm Drážka pr stírací pístní kružek: Dráţky pr stírací pístní kruţky jsu širší neţ dráţky těsnících pístních kruţků. Sučástí jejich knstrukce jsu i průřezy pr dvd setřenéh leje. Příčné průřezy těcht tvrů se stanvují, jak z hlediska rzměrů, tak i z hlediska umístění experimentálně. Běţně pstačují tvry v dráţce pr stírací pístní kruţek, jejichţ rzměr je asi 1 mm menší neţ je šířka dráţky. Viz řešení a) na br. 0. U mtrů, které vykazují větší sptřebu leje se pr sníţení tét sptřeby svědčil řešení b). Otvry pr dvd leje zvyšují, v důsledku vrubvéh účinku, napětí a sučasně s dráţku pr stírací pístní kruţek vytváří minimální příčný průřez pláště pístu, přenášející síly d tlaku plynů a síly setrvačné. Obr. 0 Otvry pr dvd leje z drážky stíracíh kružku. [1] Tlušťka stěny pláště pístu Tlušťka stěny by u benzinvých mtrů měla být minimálně D-vrtaní vílce mtru b= 0,0 D 0,00,08 0, 0016m BRNO 008 Strana 5 David PETR

27 3.4 Pevnstní výpčet pístu AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ Tvar pístu, i jeh namáhání umţňuje puze infrmativní výpčet zahrnující základní namáhání vyvlané tlakem plynů při spalvání a setrvačnými silami. Další zatěţující účinky jak je tepelný tk průřezy pístu, prměnnst zatěţujících účinků i vlivy vrubvých účinků vyvlávajících kncentraci napětí, není mţn přím d výpčtu zahrnut, a jsu suhrnně respektvány velikstí dvlených hdnt napětí. Obr. 1 Zatíţení dna pístu a výpčtvý mdel [1] Pevnstní výpčet dna pístu je prváděn na hyb.výpčtvým mdelem dna pístu je kruhvá deska,vetknutá neb pdepřená na bvdě zatíţená rvnměrným spjitým zatíţením d tlaku plynů. Vzhledem k veliksti silvých účinkům je vliv setrvačných sil zanedbán Maximální síla tlaku plynů (N) r-plměr vetknutí r =0,5 D =0,5 80=40mm (18) r =0,04m BRNO 008 Strana 6 David PETR

28 P max =6.5 Mpa určíme z indikátrvéh diagramu viz br. p max p max p max r p 0, N max 6,510 6 pmax =>3.8kN (19) Obr. Indikátrvý diagram 3.4. Maximální hybvý mment Mmax (Nm) M M M,max,max,max, r p max 3 0, Nm M max => 140 Nm (0) Mment dpru v phybu W (m 3 ) W W W 1 r 3 1 0,04 0, , m 3 W => m 3 (1) BRNO 008 Strana 7 David PETR

29 3.4.4 Maximální hybvé napětí, max (pa),max,max,max p max 6,5 10 r 6 163, ,04 0,008 Pa,max => 164 Mpa () Maximální hybvé napětí pr vetknutu desku, max,max,max,max 0,5 p max 0, , r 6 6 Pa 0,04 0,008,max => 41Mpa (3) Tab. 4 Hdnty dvlenéh napětí pr hliníkvé slitiny Dn bez ţeber Dn s nízkými ţebry 0až MPa 40až MPa dv 5 dv 50 Vlím dn s nízkými ţebry pr tut hdntu maximální hybvé napětí pdmínka splněna Nejslabší míst pláště pístu Bývá u většiny pístů v dráţce pístu pr stírací kruţek, kde stěna pístu je zeslabena nejen samtnu dráţku, ale i tvry, kterými je dváděn setřený lej d klikvé skříně mtru Maximální síla d talku plynů p max (N) p,max p,max p,max D pmax 4 0,08 6 6, N,783kN p max => 3.8kN (4) BRNO 008 Strana 8 David PETR

30 Minimální příčný průřez pístu v drážce pr pístní kružek Sx (mm ) D d S X Sx 4 3 Sx,07 10 mm Sx=> mm (5) Napětí vyvlané tlakem plynů tl, max (pa) tl,max tl,max tl,max p.max S x 3783, , Pa tl,max => 16Mpa (6) σtldv = 30 až 40 MPa => pdmínka splněna Setrvačná síla sp, x (N) sp, x mx rk max 1 (7) mx - hmtnst kruny pístu nad řezem vyšetřvanéh průřezu Vzhledem na slţitst výpčtu určím puze rientační hdntu. Pstup výpčtu Neuvádím. mx = 0,5 kg [pr píst vyrbený z hliníkvé slitiny ; ς = 700 kg/m3] plměr klikvéh hřídele r k Z 0,064 r k 0, 03mm r k = 0,03mm jniční pměr, u sučasných mtrů se phybuje v rzmezí 0, aţ 0,3 rk [-] vlím =0, l maximální úhlvá rychlst táčení klikvéh hřídele mtru max max max max nmax s max =>68 /s BRNO 008 Strana 9 David PETR

31 sp, x sp, x sp, x m x r k 3789N max 1 0,50, , sp, x => 3.8 kn (8) Tahvé napětí ve vyšetřvaném průřezu t (pa) t S t sp, x 3789 t,07 10 x, Pa t =>.8Mpa (9) Dvlené napětí pr hliníkvé slitiny σt,dv = 4 aţ 10 [MPa].=> pdmínka splněna Měrný tlak na plášti pístu Je vyvláván nrmálvu silu, kteru půsbí píst na stěnu válce. Její maximální velikst je dsahvána pblíţ hrní úvratě při phybu pístu v průběhu expanzníh zdvihu Je určvána kinematiku klikvéh mechanizmu a průběhem tlaku plynů ve válci mtru při hření. Zatížení setrvačnými silami P c b p s s Primární síly Sekundární síly Výsledné síly d rc r t d c BRNO 008 Strana 30 David PETR

32 Obr. Namáhání klikvéh mechanizmu Celkvá síla vyvlaná silami setrvačnými a d tlaku plynů c (N) c c c p,max 8994 N sp, x Úhel ptčení klikvé hřídele d hrní úvratě p,max Úhel mezi su jnice a su válce arcsin sin 344 arcsin 0, sin Maximální nrmálvá síla n, max (N) c => 8994N (30) n,max n,max n,max tg c 8994 tg N n,max => 189 N (31) Měrný tlak na plášti pístu p pl (pa) p p p pl pl pl D n,max pl L pl 189 0,09 0,064 0, Pa p pl => 0.37Mpa (3) Dpručená hdnta měrnéh tlaku 0.6 aţ 1.4 [MPa].=> pdmínka splněna Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kružkem Je vystaven velmi vyskému namáhání d tlaku plynů ve spalvacím prstru za sučasnéh půsbení značných teplt. Rzlţení tlaků v jedntlivých mezikruţkvých bjemech, při dsaţení maximální hdnty tlaku nad pístem, je pdle výsledků měření uveden na Obr. 3 BRNO 008 Strana 31 David PETR

33 p1 = 0,76 pmax p = 0, pmax p3 = 0,9 pmax p4 = 1,1 p Obr.3 Rzlžení tlaků v mezikruží [1] Obr.4.Namáhání můstku [1] Výsledný silvý účinek na můstek mezi prvním a druhým těsnícím kruţkem je určen rzlţením tlaků plynů v mezikruţkvých mezerách. br. 4 BRNO 008 Strana 3 David PETR

34 Výsledný silvý účinek na můstek m (N) d m 0,91 D 0,91 0,8 0, 78m m m m N D d 0,9 p 0, p m max 6 6 0,08 0,078 0,9 6,5 10 0, 6,5 10 max (33) Ohybvý mment M (Nm) M M M D d m m 4 0,09 0, ,89Nm M => 6.9 Nm (34) Mdul dpru v hybu W (m 3 ) W W dm H W 4, m 0,078 0,0035 m 3 W => 4, m 3 (35) Ohybvé napětí (pa) M W 6,9 4, , Pa => 14,7Mpa ( 36) BRNO 008 Strana 33 David PETR

35 Průřez v místě vetknutí S (m ) S S S d m H 8, m 0,078 0, m S=> ( m ) (37) Smykvé napětí (pa) m S 383 8, , Pa => 4,8Mpa (38) Redukvané napětí red (pa) red red red , , , Pa red => 16,8Mpa (39) Uváţíme-li pkles pevnsti hliníkvých slitin s nárůstem teplty při zhlednění vrubvých účinků přechdu dráţky pr pístní kruţek d stěny válce, nemá redukvané napětí přesáhnut hdntu 60 aţ 80 [MPa].=> Pdmínka splněna. BRNO 008 Strana 34 David PETR

36 4. Závěr Cílem mjí bakalářské práce byl navrhnut základní rzměry mtru, základní rzměry klikvéh mechanizmu a rzměry pístu čtyřdbéh záţehvéh mtru. Výchzími hdntami pr výpčet byly zadané hdnty, výkn mtru 85kW a táčky mtru n=6000 1/min. Mje práce jde rzdělit na dvě části, jedna bsahuje teretické infrmace pístu a pístní skupině jaké se puţívají materiály a pdbné infrmace. Druhá část je výpčtvá. Pčítám zde rzměry pístu a klikvéh mechanizmu. Pté následuje výpčtvá kntrla na různé druhy namáhání pístu K návrhu pístu se musí přistupvat zdpvědně a s rzmyslem, aby náhdná chyba ve výpčtu nezpůsbila případnu pruchu pístu za prvzu. Výpčet pístu vychází z empirických vzrců a tabulkvých hdnt které byly zjištěny z jichţ dříve známých a svědčených knstrukcí. Mezi nejvíce namáhaná a tudíţ i nebezpečná místa v pístu patří tzv. dn pístu. Na něj půsbí velké teplty a tlaky d plynů. Musí se zvlit dstatečná tlušťka dna a případné chlazení pístu aby byl dn schpn dlat těmt namáháním. Druhé nebezpečné míst v pístu je průřez u stíracích kruţků. Zde je píst slaben díky kanálkům pr dvd leje. Tt míst se musí také zkntrlvat pevnstně. Další kntrlvané blasti pístu je můstek mezi prvním a druhým těsnícím kruţkem a plášť pístu namáhaný tlakem. Já jsem se snaţil navrhnut takvý píst, který by vyhvval všem pţadavkům c se týče tvaru a hmtnsti pístu. Snaţil jsem se, aby píst byl c nejlehčí kvůli velkým setrvačným silám, které pak zatěţují celý mechanizmus. Tvarvě jsem píst navrhl tak aby byl levný na výrbu a zárveň splňval všechny pţadavky které jsu na něj kladeny. Pdle všech pevnstních kntrl které jsem pčítal, mnu navrţený píst vyhvuje. Jelikţ se jedná jen předběţný rientační výpčet který nezahrnuje všechny druhy namáhání které na píst půsbí byl by nutn před uvedením pístu d výrby některé kntrly prvést přesnější metdu např. metdu knečných prvků. BRNO 008 Strana 35 David PETR

37 5. Pužitá literatura [1] Rauscher, J.: Rčníkvý prjekt (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [] Rauscher, J.: Vzidlvé mtry (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [3] Kţušek, J.: Výpčet a knstrukce spalvacích mtrů II, Praha, SNTL 1983 [4] Rauscher, J.: Spalvací mtry (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [5] [6] [7] BRNO 008 Strana 36 David PETR

38 6. Pužité symbly AKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ c s [m.s-1] střední pístvá rychlst d N [mm] průměr dráţky pr pístvý kruţek v pístu d R [mm] vnitřní průměr pístvéh kruţku v zamntvaném stavu D [mm] vrtání válce mtru D a [mm] vnější průměr pístvéh čepu D i [mm] vnitřní průměr pístvéh čepu D R [mm] vnější průměr pístvéh kruţku v zamntvaném stavu B [N] nrmálvá síla, kteru půsbí píst na stěnu válce C [N] výsledná síla půsbící na píst ve vertikálním směru m [N] výsledný silvý účinek půsbící na můstek P [N] sila d tlaku plynů půsbící na píst ve vertikálním směru P max [N] maximální síla d tlaku plynů s [N] sekundární síla půsbící na píst ve vertikálním směru SP,X [N] setrvačná síla pístu H Č [mm] vzdálenst segervých kruţků H K [mm] kmpresní výška pístu H m1 [mm] výška prvníh můstku pístu H m [mm] výška druhéh můstku pístu H O [mm] vzdálenst mezi nálitky pr pístní čap H pl [mm] výška plášťe pístu H P [mm] výška pístu i [-] pčet válců mtru k [-] zdvihvý pměr m [mm] minimální hlubka plášťe za stíracím pístvým kruţkem m pístu [kg] hmtnst pístu m x [kg] hmtnst kruny nad řezem vyšetřvanéh průřezu M O [N.m] hybvý mment M Omax [N.m] maximální hybvý mment n [min-1] jmenvité táčky mtru n max [min-1] maximální táčky mtru p e [Pa] střední efektivní tlak p max [Pa] maximální tlak plynů ve válci mtru BRNO 008 Strana 37 David PETR

39 p pl [MPa] měrný tlak na plášť pístu P e [W] výkn mtru r [m] plměr pdepření desky r k [m] plměr klikvéh hřídele S [m] průřez v místě vetknutí Sp [mm] radiální vůle pístvéh kruţku S X [m] minimální příčný průřez pístu v dráţce pr stírací kruţek V Z [m3] zdvihvý bjem jednh válce mtru W O [m3] mdul dpru v hybu W O [m3] mment dpru v hybu (průřezvý mdul) Z [m] zdvih pístu α [ ] úhel natčení klikvéh hřídele β [ ] úhel mezi su pístu a jnicí δ [mm] hlubka dna pístu λ O [-] jniční pměr π [-] Ludlfv čísl ρ [kg/m3] hustta materiálu σ O [Pa] hybvé napětí σ Omax [Pa] σ Omax [Pa] maximální hybvé napětí pr desku vetknutu maximální hybvé napětí σ t [Pa] tahvé napětí ve vyšetřvaném průřezu σ tl max [Pa] napětí vyvlané tlakem plynů τ [Pa] smykvé napětí τ [-] taktnst mtru ω max [s-1] maximální uhlvá rychlst 7.Seznam přílh 1)Výkres pístu 1-3P-Píst BRNO 008 Strana 38 David PETR