TECHNOLOGIE VÝROBY A NÁVRH VLOŽKY VÁLCE MALOOBJEMOVÉHO MOTOCYKLU SVOČ FST 2017

Transkript

1 TECHNOLOGIE VÝROBY A NÁVRH VLOŽKY VÁLCE MALOOBJEMOVÉHO MOTOCYKLU SVOČ FST 2017 Adam Hamberger A.Trägera 371/58, České Budějovice Česká republika ABSTRAKT Tato práce se zabývá úpravou válce motoru Jawa 50 za účelem zvýšení výkonových charakteristik. Prvotními kroky při řešení této problematiky bylo zmapování technických detailů sériově vyráběného motocyklového válce. Účelem je zjištění omezujících parametrů pro budoucí úpravy, a to zejména vložky válce tak, aby motocykl mohl být používán pro závodní účely. Kromě návrhu vložky se práce zabývá návrhem jejího upnutí a obrobení pomocí soustružnickofrézovacího centra. Cílem práce je upravit motocyklový válec tak, aby dosahoval požadovaných parametrů s ohledem na pásmo použitelnosti, chlazení motoru, odstupňování převodovky, životnosti motoru a na další omezující parametry. Předpoklad zvýšení výkonových charakteristik bude ověřen pomocí zkoušek na dynamometru. Takto upravený motor bude závodit v mistrovství České republiky v kategorii Jawa 50RS. KLÍČOVÁ SLOVA Vložka válce, motocyklový válec, Jawa 50, zvyšování výkonu, modifikace plnění, pětiosé frézování ÚVOD Závody maloobjemových motocyklů jsou sportovní disciplínou oblíbenou od poloviny minulého století. V České republice se vyskytuje více kategorií, mezi které patří i kategorie motocyklů Jawa 50. Vložky válce, jež jsou předmětem této práce, budou plnit svou funkci jak v silničních závodech mistrovství České republiky, tak i v terénních závodech Šumavského poháru. K tomu, aby byl závodní stroj schopný vítězství, je zapotřebí, aby dosahoval výkonových charakteristik vyšších než ostatní stroje na startovní listině. Vložka válce se podílí obrovskou měrou na výkonových charakteristikách společně s ostatními komponentami motoru tak, že je možno charakteristiky zvýšit přibližně trojnásobně oproti sériovému provedení. Proto je zapotřebí věnovat této součásti velkou pozornost, aby mohl takto upravený stroj reprezentovat nejen závodní tým, konstruktéra, ale i výsledky práce studentů Západočeské univerzity v Plzni. Obr. 1 - Závodní stroj Jawa 50 pro terénní závody Šumavského poháru

2 PŘEDPOKLÁDANÉ VÝSLEDKY Po obrobení vložky, hliníkového obalu, slisování, honování vnitřního vývrtu bude válec připraven k montáži. Motor bude po zajetí podroben zkouškám na válcovém dynamometru, kde by měl mít dle požadavků minimální krouticí moment 6 Nm v rozsahu otáček od do ot/min s maximální hodnotou přibližně 8 Nm. Přípustný je vyšší provozní rozsah otáček, kdy poměr nižší ku vyšší hodnotě musí být maximálně 0,7. Důvodem je správná návaznost při řazení na vyšší rychlostní stupeň s co nejmenším propadem hnací síly. Optimální způsob pro porovnání je nejen praktická zkouška na okruhu, ale také porovnání diagramů hnacích sil v závislosti na rychlosti. Obr. 2 - Diagram porovnání hnacích sil přibližně předpokládaného výsledku a sériového motoru Odporová funkce protíná křivku předpokládané hnací síly na nejvyšší rychlostní stupeň přibližně ve 100 km/h, z toho lze soudit, že maximální rychlost takto upraveného stroje bude 100 km/h. Předpoklad utvrzuje průsečík s hnací silou sériového motoru při rychlosti 65 km/h, neboť tato hodnota je výrobcem udávaná a zkouškami potvrzená. ZÁKLADNÍ VARIANTY Jedním z cílů této práce je porovnání dvou variant. První varianta vychází z trubkového polotovaru, je konstrukčně složitější a má navýšený počet kanálů. Druhá varianta vychází ze sériové vložky zvětšením dosavadních kanálů při zachování jejich počtu, neboť to je jedno z kritérií pravidel pro kategorii Jawa 50RS v šampionátu České republiky. Srovnání základních vlastností poskytuje tabulka níže. Provedení RS 5K Počet sacích kanálů Počet přepouštěcích kanálů Počet výfukových kanálů Polotovar/vnější průměr Sériová vložka/46 mm Trubkový/50 mm Použití Silniční závody kategorie Jawa 50RS Terénní závody Tab. 1 Základní informace o variantách

3 KONSTRUKČNÍ NÁVRH VARIANT Konstrukční návrhy jednotlivých variant v podobě 3D modelu byly vytvořeny v SW Autodesk Inventor Návrh soustružených rozměrů proběhl vzhledem k možnostem sousedních součástí, tj. vodící vnější průměr, osazení pro hlavu motoru, vnitřní vývrt pro píst apod. Soustružení je zapotřebí pouze u varianty 5K. Návrh frézovaných tvarů, tj. kanálových rozvodů obou variant, proběhl nejdříve tvorbou negativů jednotlivých kanálů vzhledem k optimalizaci proudění směsi. Ty pak byly obtisknuty do válce jako celku, který byl následně modelově rozdělen na hliníkový obal a samotnou vložku. Vložka je z litiny s lupínkovým grafitem EN-GJL-250. Obr. 3 - Porovnání negativů kanálového rozvodu obou variant NÁVRH KANÁLOVÉHO ROZVODU K navržení bylo využito nejen četných zkušeností z úprav v minulých dobách prováděných ručně, ale také konzultací s odborníky, kteří buďto konstruovali závodní motocykly v rámci továrního vývoje, zabývají se numerickými simulacemi proudění plynů nebo jsou známi úpravami motorů pro motokrosové závody. V návrhu bylo zapotřebí zohlednit okolní rozměry, aby bylo možné rozvod do válce vměstnat. To činí značnou překážku přímé aplikaci kanálového rozvodu z jiného závodního motocyklu, neboť jeho kanály jsou rozmístěny v takových pozicích, ve kterých není možné kanál do válce Jawa 50 zhotovit. Největší důraz bylo třeba klást na vhodné tvary jednotlivých kanálů v různých rovinách, které byly vytvořeny na základě konzultací s odborníky, předchozích zkušeností a na inspiraci z tvarů, které jsou použity ve válcích závodních strojů továrních značek. Časování rozvodu bylo voleno takové, aby provozní otáčky nepřesahovaly ot/min z důvodů namáhání řetězového převodu pro pohon spojky u varianty RS. U varianty 5K je důvodem omezení otáček rovněž dispozice originálního karburátoru, který je předepsán v pravidlech Šumavského poháru. Obě varianty mají tedy stejné časování. Provedení RS 5K sání 160 /465 mm /450 mm 2 přepouštění 125,5 /400 mm 2 125,5 /443 mm 2 výfuk 172 /437 mm /486 mm 2 Tab. 2 - Časování rozvodu a průtočná plocha kanálů

4 K tomu, aby bylo možné navrhnout výrobní rozměry, bylo zapotřebí určit potřebnou výšku jednotlivých kanálů tak, aby motor měl časování uvedené v tabulce 2. Proto bylo potřeba sestavit rovnici posunu pístu v závislosti na natočení klikového hřídele. Sestavení proběhlo na základě schématu na Obr. 4. Předpis funkce posunu pístu v závislosti na natočení klikového hřídele: (1) Obr. 4 - Kinematické schéma klikového mechanismu [1] VÝROBA Vzhledem k sofistikovanosti kanálového rozvodu je zapotřebí ke zhotovení tvarových ploch na vložce pětiosého frézování. Potažmo k povaze obrobku, na kterém je potřeba provést jak frézování, tak i soustružení, bylo výhodné použít soustružnicko-frézovací centrum CTX BETA 1250 TC umístěné v hale Regionálního technologického institutu v Plzni. Kinematiku použitých pohybů na tomto stroji pro obrábění vložky obou variant ukazuje Obr. 5. Pro vygenerování drah použitých nástrojů, tj. ke tvorbě NC programu byl použit CAM software od firmy SolidWorks. Obr. 5 - Schéma použitých směrů při frézování

5 NÁVRH UPNUTÍ Vzhledem ke tvaru polotovaru a vložek obou variant, kdy je nutné frézovat i soustružit, bylo zapotřebí stanovit zvláštní požadavky na upnutí. Prvním požadavkem je soustřednost vřetene a válcových ploch vložky. Druhým požadavkem je vyváženost kvůli soustružení a potřebě dosažení otáček větších než 300 ot/min. Optimálním řešením bylo shledáno upnutí vnitřními měkkými čelistmi v univerzálním sklíčidle. Rizikem tohoto upnutí je destrukce vložky, zejména u varianty RS kvůli tenčí stěně. Stav napjatosti byl zjištěn pevnostní analýzou metodou konečných prvků. Proto, aby se destrukci předešlo, bylo zapotřebí snížit tlak hydraulického systému pro ovládání čelistí z hodnoty 30 bar na 13 bar. Předpoklad dostatečné tuhosti upnutí a odstranění tvorby plastické deformace obrobku byl ověřen na zkušebním kusu. Obr. 6 - Stav napjatosti Von Mises VÝROBNÍ POSTUP Následující vysvětlení se vztahuje k obr. 7. V části A Obr. 6 je vyobrazen polotovar upnutý v měkkých vnějších čelistech. V části B se soustruží průchozí otvor a přední osazení. Po otočení přesoustruženým osazením k vřetenu dojde k upnutí do měkkých čelistí za otvor a doražení otočným hrotem o čelo čelistí, viz část C. Obr. 7 - Rozpoložení obrobku, upínačů a nástrojů v jednotlivých krocích

6 Otočný hrot zůstává jako opora při soustružení vnějšího průměru 50 mm, v této fázi je opření hrotem nezbytné, protože je zde velký nárok na kvalitu válcového povrchu stran jeho drsnosti, geometrické i rozměrové tolerance. Nároky mají své opodstatnění, protože se tímto povrchem převádí teplo do hliníkového obalu. Přesah vložky vůči hliníku bude 5 až 7 setin milimetru. Menší přesah způsobí malý tlak na styčné válcové ploše a špatný přestup tepla s následkem přehřátí motoru. Velký přesah naopak může způsobit potíže při lisování. Na Obr. 7 je obrázkový postup pro výrobu 5K varianty, varianta RS se frézuje obdobným způsobem bez potřeby soustružení, neboť všechny soustružené rozměry zůstávají původní. K frézování byly použity monolitní nástroje z rychlořezné oceli, jednalo se o drážkovací a kulové frézy v rozsahu průměrů 3,5 až 10 mm. Celý průběh obrábění bylo zapotřebí provést bez chlazení, neboť při použití procesní kapaliny by došlo k její kontaminaci vlivem velkého podílu uhlíku v litině (až 4 hmotnostní procenta). ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Cílem této práce bylo navrhnout a vyrobit vložku válce maloobjemového motocyklu tak, aby došlo ke zvýšení výkonových charakteristik a bylo možné bojovat o čelní pozice v závodech mistrovství České republiky v kategorii Jawa 50RS a v terénních závodech Šumavského poháru. Analýza rozměrů potvrdila, že žádný z vyrobených rozměrů se neliší od návrhu o více než 0,05 mm. To je vzhledem k velkému potřebnému vyložení tenkých nástrojů z kleštinového upínače lepší přesnost, než bylo očekávané. I přes komplikovanější napolohování při upínání RS varianty z důvodu návaznosti na původní kanály byla výroba 5K varianty podstatně náročnější, protože strojní čas včetně upnutí činil přibližně 70 minut, u RS pak přibližně 45 minut. Výrobu u 5K rovněž prodražuje nutnost vyvaření hliníkového obalu. Jelikož se jedná o vývoj nové závodní součástky, je naprosto jasné, že jde o výrobu kusovou, v čemž se odráží i vyšší cenová náročnost. V současné době probíhá výroba hliníkových obalů, aby byl válec kompletní a mohl jím být osazen závodní motor. Motocykl osazený tímto motorem bude otestován na válcovém dynamometru, kde budou změřeny jednotlivé výkonové charakteristiky a měly by zde být potvrzeny prvotní předpoklady. Obr. 8 - Porovnání modelu s hotovým výrobkem (vlevo 5K, vpravo RS) PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Luboši Kroftovi za podporu při generování NC kódu, obsluze stroje CTX BETA 1250 TC a Ing. Josefu Skleničkovi za vyhrazení časového prostoru a obsloužení stroje.

7 LITERATURA: [1] Kinematické schéma klikového mechanismu [online] [cit ] Dostupné z: [2] HUSÁK, Pavel. Upravujeme motocykl na závod, Praha, STNL, s. [3] OPLUŠTIL, Vít. Dvoudobé motory závodních motocyklů kategorie GP. V Brně, Dostupné z: Bakalářská práce. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. [4] BELL, A. Two-stroke performance tuning. 2nd ed. Newbury Park, Calif., USA: Haynes North America, 1999, 271 p. ISBN [5] BLAIR, Gordon P. Desing and simulation of two-stroke engines, Society of Automotive Engineers, s. ISBN [6] JANDEČKA, Karel. Využití moderních CAD/CAM systémů při programování NC strojů, Skripta ZČU Plzeň, [7] Der Zweitakt-Motor Funktion Teil I -VI [cit ] Dostupné z: