VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 8 1. Obsah

Transkript

1 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 8 1. Obsah 1. Obsah Úvod Základní parametry vznětového motoru Pístní skupina vznětového motoru Charakteristika pístní skupiny Píst Schéma jednotlivých konstrukčních prvků vznětového pístu Spalovací komora vznětových pístů Horní můstek Nosič pístních kroužů Chladící kanál Nálitek pístního čepu Plášť pístu Technologická plocha Pístní kroužky Kluzné ložisko Pístní čep Axiání pojistné kroužky Základní rozměry, a parametry pístu pro vznětový motor Základní rozměry klikového mechanismu Silový rozbor klikového mechanismu Pevnostní kontrola kritických průřezů pístu Pevnostní výpočet dna pístu Nejslabší místo pláště pístu Měrný tlak na plášti pístu Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem Závěr Použitá literatura Přehled použitých veličin a jednotek Seznam příloh...39

2 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 9. Úvod V této bakalářské práci se zabývám pístem čtyřdobého vznětového přeplňovaného motoru pro osobní automobil. Píst jako součást spalovacího motoru jak zážehového tak i vznětového má svoji historii. Užíval se již ve druhé polovině 19. století, a ve spojení s klikovou hřídelí, ojnicí a dalšími částmi byl základem parních strojů. S postupem času se nároky na konstrukci pístu pro spalovací motory zvyšují, a to vzhledem k neustále se zvyšujícímu výkonu motorů a požadavkům na snižování spotřeby paliva a exhalací. Mnohé nedostatky pístových spalovacích motorů se však i přes neustálý intenzivní vývoj automobilového průmyslu odstranit nepodařilo. Tyto nedostatky pramení z principu funkce pístu. Jedná se zejména o potíže způsobené klikovým ústrojím, které je brzdou zvyšování otáček motoru, chvění, které snižuje životnost motoru, hluk pocházející z kmitočtu sil a momentů s narůstajícími otáčkami. Tyto problémy se snažilo řešit mnoho výrobců, z nichž nejznámější a jediný, který se dostal do sériové výroby je Wankelův rotační pístoví motor, jehož výhoda spočívá v klidnějším a rovnoměrnějším chodu, menší hmotnosti, lepších prostorových ukazatelích a menším počtu použitých součástí. Má ale i nevýhody spočívající v nízké životnost lišt těsnících spalovacích prostor, malou dosažitelnou hodnotu kompresního poměru, velkou měrnou spotřebou paliva a oleje, a větší množství exhalací. Převážná většina dnešních automobilů, je i přes výše uvedené nedostatky oproti koncepci Wankelova rotačního pístového motoru,vybavena klasickým zážehovým motorem nebo vznětovým motorem ( atmosférickým nebo přeplňovaným motorem ), které se vyrábí ve velkých sériích a do jejich dalšího vývoje jsou investovány značné částky. Přednosti vznětových motorů jsou ekonomičnost, která se vzhledem k rostoucím cenám ropných produktů projevuje stále výrazněji, vysoká účinnost ( největší účinnosti z doposud realizovaných motorů až 5%) a vysoká provozní spolehlivost. V této bakalářské práci jsem se zaměřil na vytvoření koncepce pístu pro vznětový motor, a pokusil jsem se provést jeho srovnání s pístem pro motor zážehový a to z hlediska konstrukčních parametrů. V mé práci jsou podrobně rozebrány jednotlivé prvky pístní skupiny, je uvedeno jakou rozmanitou škálu pístů, pístních kroužků, axiálních pojistných kroužků a pístních čepů dnešní výrobci nabízí, jaké jsou výhody a nevýhody té či oné skupiny výrobků a jaké jsou trendy jejich výroby. Dále jsou uvedeny materiály, způsoby zpracování a povrchové úpravy používané v dnešní sériové výrobě části spalovacích motorů. V neposlední řadě je proveden návrh rozměrů pístu podle již osvědčených konstrukcí z něhož jsou poté počítána pevnostními výpočty nejslabší místa pístu a je ověřeno zda píst z pevnostního hlediska vyhovuje. Po zpracování výpočtu, stanovení vhodných jednotlivých části pístní skupiny, navržení materiálů jednotlivých součástí, stanovení povrchové úpravy a způsobem zpracování jsem se pustil do vytvoření výrobních výkresů pístní skupiny, vyjma pístních kroužků, jež jsou navrženy podle normy.

3 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 1 3. Základní parametry vznětového motoru Pro tuto bakalářskou práci jsem si vybral navrhnout píst pro vznětový motor 1,9TDI PD DPF 77 kw vyráběný koncernem VW. Tento motor je přeplňovaný, s nastavitelnou geometrií lopatek turbodmychadla, rozvodem OHC, vybavený filtrem pevných částic DPF, uložený vpředu napříč. Parametry motoru: Zdvihový objem: 1896 cm 3 Nejvyšší výkon: 77KW při 4 ot/min Nejvyšší točivý moment: 5Nm při 19 ot/min Počet válců: 4 Počet ventilů na válec: Vrtání : 79,5mm Zdvih : 95,5mm Kompresní poměr : 19,5:1 Exhalační norma : EU4 Momentová charakteristika motoru: točivý moment výkon obr.1 - Výkonová a momentová charakteristika motoru

4 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Pístní skupina vznětového motoru 4.1. Charakteristika pístní skupiny: Návrh pístu není otázkou pouze návrhu samostatného pístu, ale rozumí se tím návrh celé pístní skupiny. Pístní skupinu jak je vidět na obr. tvoří píst s těsnícími a stíracími kroužky, pístní čep a axiální pojistky a v mém případě i kluzné ložisko, pro vedení pístního čepu, který je ve většině případů veden přímo v nálitku samotného pístu. Na pístní skupinu jsou kladeny následující požadavky: zabezpečení přenosu síly od tlaku plynů na ojnici, zachycení boční síly vyvolané klikovým mechanizmem a její přenos na stěnu válce, utěsnění spalovacího prostoru tak, aby byl omezen únik spalin do klikové skříně, motoru a průnik motorového oleje do spalovacího prostoru, zabezpečení odvodu tepla ze dna pístu do chlazených stěn spalovacího prostoru. obr. pístní skupina

5 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Píst Píst slouží k zachycování tlaků ve spalovacím prostoru a dále k jeho následnému přenosu na ojnice. Odděluje spalovací prostor od prostoru klikové skříně. Zatěžujících účinky na píst mají rázový charakter, vyvolaný prudkým nárůstem tlaku a teploty ve spalovacím prostoru, a dochází tak k únavovému namáhání materiálu pístu, proto je třeba volit vhodné technologie zpracování a materiály pístů. Tepelné zatížení značně ovlivňuje rozměry pístu, píst by měl mít co nemenší vůli ve vrtání valce, z tohoto důvodu není tvar za studena přesně válcový ale je oválný po průřezu a kuželový po výšce pístu. Po zahřatí se roztažností materiálu dostane píst do požadovaného válcového tvaru. Pro stanovení vhodnéhé ovality a kuželovitosti neexistuje dostatečně spolehlivá výpočtová metoda a stanovuje se experimentálně, píst se zastudena natvaruje. Píst se dále musí vyrovnat se změnou teploty v průběhu činnosti a to až o 1 C, což znamená též měnění vůlí pístu ve válci. Tento problém se v dnešní době řeší zaléváním vyrovnávacích vložek ze slitin s minimální teplotní roztažností (Invar). Písty s touto invarovou vložkou se nazývají bimetalické. Nové trendy ve výrobě pístu se zaměřují na nízkou hmotnost pístu, jež je spojena s geometrickými omezeními (nízká kompresní výška pístu, menší průměr pístního čepu) a to vše pro tlakové špičky až MPa. Tohoto požadavku je možno docílit jednak vývojem nových hliníkových slitin a dále také nalézáním nových designových řešení pístu. Píst vznětového motoru se vyznačuje: velkou kompresní a celkovou výškou, větší tloušťkou stěn a průměrem pístu než u pístu zážehové motoru, vzhledem k větším tlakům a teplotám klade větší nároky na chlazení, spalovací prostor je vytvořen ve dnu pístu (u starých komorkových motorů ze 4 až 6%, u nových je ve dnu celý). Píst se vyrábi 3 základními způsoby: odléváním do pískových forem - v kusové výrobě např. pro lodní motory, odléváním do kokil - nejběžnější forma výroby pro svou přesnost i možnost zajištění vysoké objemovosti výroby, kování pístů v zápustkách - pro vysoce namáhoné písty (závodní automobily). Materiály pístů: slitina hlínu s křemkem, niklem a mědí je nejběžnějším materiálem v dnešní době, dobře odvádí teplo z pístu a při své tuhosti je lehčí než též používaná šedá litina.pro svou koncepci pístu jsem si vybrál též tuto slitinu která je podle normy ČSN označená : AlSi1NiCuMg, šedá litina je to slitina železa s úhlíkem manganem, fosforem a sírou. Obsah uhlíku je z hlediska zajištění dobrých kluzných vlastností, je v množství,5 4%, slitina hořčíku její výhodou je ve srovnání s jinými používanými materiály pouze její nižší hmotnost, je velice drahá a proto je využita jen u závodních autmobilů.

6 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Schéma jednotlivých konstrukčních prvků vznětového pístu: Na obr. 3 je možno vidět prvky moderního vznětového pístu. obr.3 schéma pístu 4... Spalovací komora vznětových pístů Tvary spalovacích komor pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva, jsou u jednotlivých výrobců rozdílné. Jednotlivé typy jsou vidět na obr.4 obr. 4 tvary spalovacích komor Teploty dna spalovacích komor pístů dnešních vznětových motorů jsou značně vysoké. U pístů z Al slitin se objevují nejvyšší teploty, až 4 C, na okrajích spalovacího prostoru. Těmto nebezpečným špičkám tlaku, které vznikají na okraji spalovacího prostoru čelí u vznětových motorů nová technologie, tzv. přetavení. U vysoce tepelně namáhané horní hrany spalovací komory (bowl edge ) se za kontrolovaných podmínek pomocí laseru zvyšuje lokální mechanická a termická únosnost. Na obr.5 je možno si z řezu všimnou oblasti do jaké hloubky proběhlo přetavení hrany. Maximální povrchová teplota pístu z běžné hliníkové slitiny by však neměla překročit hodnotu cca. 3 C, kdy již dochází k výraznému poklesu pevnosti hliníkových slitin. U pístů kovaných je tento pokles pevnosti poněkud nižší. V komoře spalovací komory vznikají i značná napětí vyvolávaná horkými spalinami o teplotě až C a v důsledku těchto napětí můžou vznikat trhlinky. Pro zamezení

7 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 14 vzniku těchto trhlinek je použito tvrdé eloxování povrchu dna pístu, což je anodicky vytvořená vrstva oxidu hliníku o tloušťce 3 až 4 mikronů. obr.5 přetavená hrana spalovacíkomory (bowl edge) Horní můstek V porovnání s pístem zážehovým ho bylo třeba výšku horního můstku navrhnout větší, z hlediska většího tepelného toku pístem u vznětových motorů. Je třeba dodržet maximální teplotu v drážce 1. těsnícího kroužku 4 C. Při překročení této teploty by v tomto místě hrozila karbonizace oleje Nosič pístního kroužku Do pístu je zalit metodou"alfin pro zvýšení únavové pevnosti a zamezení únavových trhlinek nosič 1. pístního kroužku. Nosič pístního kroužku jsem použil vzhledem k vyššímu mechanickému a tepelnému zatížení pístu a prvního pístního kroužku přeplňovaných vznětových motorů. Nosič pístního kroužku je vyroben z vysoce legované austenitické šedé litiny s obsahem %Ni+Cu+Cr s obchodním názvem"nirezist jehož velmi příznivou vlastností tohoto materiálu, vedle pevnosti a odolnosti proti opotřebení, je i přibližně stejná tepelná roztažnost jako u slitin Al-Si. Pro tuto drážku prvního stíracího kroužku je následně použito eloxování Chladící kanál Překročí-li teplota v drážce prvního pístního kroužku 4 C je nutno zabezpečit její snížení pomocí chlazení pístu a proto se v současné době se používá u všech přeplňovaných motorů ( zážehových i vznětových ) chlazení v oblasti pístních kroužků. U méně zatížených motorů postačuje nástřik dna pístu. V moji koncepci jsem použil druhou variantu chlazení, pomocí toroidní chladícího kanálu v hlavě pístu. Jak je možno vidět na obr. 6., tlakový olej je do tohoto kanálu vstříknut přes přívodní kanálek tryskou, která potřebuje vybrání v plášti pístu. Tlakový olej projde celým kanálem a na druhé straně z něj ohřátý vystoupí odpadním kanálkem do

8 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 15 klikové skříně a chladí tak celý píst. Chladící kanál je nejčastěji vytvořen při odlévání pístu metodou ztraceného jádra. Odpadní a přivádějící kanálek je vyvrtán v nálitku pro pístní čep. Tryska je napojená na přívodní kanál zásobovaný olejem z mazacího systému motoru a vytlačuje ho při poloze pístu v dolní úvrati. obr.6 - způsob chlazení pístu tab. 1 - odvod tepla z pístu v závislosti na jeho chlazení Nálitek pístního čepu Vzhledem k vyšším přenášeným silám jsem vnější průměr pístního čepu vytvořil větší než by bylo u pístů motorů zážehových. Do nálitku je zalisováno kluzné ložisko pro zlepšení třecích vlastností a zlepšení celkové odolnosti spojení pístů s ojnicí. K ukotvení nálitku do vnitřních stěn pístu jsem použil blokovou koncepci spojení nálitku se dnem pístu. Pro rovnoměrnější zatížení oka ojnice i nálitků pro pístní čep v pístu jsem použil trapézový tvar příčného průřezu oka ojnic. Odfrézovávání spodní plochy nálitků složí poté k vyvážení.

9 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Plášť pístu Na plášti pístu je použita ochranná a záběhová vrstva, která snižuje nebezpečí zadření při záběhu pístu a omezuje oxidaci pístu při skladování. Je tvořena grafitovým povlakem o tloušťce 1 až mikrometrů, který je nastříknut a poté za zvýšené teploty vypálen. Pro zlepšení přilnavosti grafitové vrstvy na povrch pláště je vhodné ho fosfátovat. Dále je vhodné pro zvýšení únavové pevnosti pistu použít kuličkování, jež zvýší únavovou pevnost až o 15% Technologická plocha Slouží pro uchycení pístu při obrábění.

10 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Pístní kroužky Rozdělujeme je podle toho, jakou funkci zajišťují na: Těsnící kroužky (obr.7) - které zabezpečují těsnost spalovacího prostoru. Stírací kroužky (obr.8,9) - které mají za úkol regulace olejové vrstvy na stěně válce. U mnohých pístu je setřený přebytečný olej odváděn do kanálku spojující vnější plášť pístu s vnitřním prostorem pístu, kde setřený olej skapává do klikové skříně. V mé koncepci pístu je odvod setřeného oleje uskutečněn 4 vhodně tvarovanými kanálky v drážce pro stírací kroužek, které odvádějí přebytečný olej po vnějším obvodu pístu. Dalším hlavním společným úkolem obou kroužků je odvod tepla z pístu stěn válce, u nechlazených pístů běžné konstrukce je jimi odváděno 4 až 6 %. V současné době se u pístů pro zážehové a vznětové motory používají výhradně tři pístní kroužky, dva těsnící a jeden stírací. Stejně jako píst i pístní zkoušky jsou namáhány vysokým tepelným a mechanickým zatížením, proto je důležité, aby byl dostatečný film mazacího oleje. Pro uložení kroužku a jeho správnou funkci po dobu životnosti motoru je velmi důležitá správná velikost radiální a axiální vůle kroužku v drážce. Tato vůle nesmí být příliš veliká, protože se jedná o ztrátový objem, do kterého se v průběhu komprese stlačuje vzduch, v průběhu hoření a expanze jsou do tohoto objemu vtlačovány částice nespáleného paliva a spaliny, což zákonitě zvyšuje množství škodlivin (nespálených uhlovodíků) ve spalinách motoru..materiálem pro pístní kroužky je nejčastěji nízkolegovaná tvárná litina a legované šedá litina. Při návrhu velikosti radiální vůle je nutno uvažovat s tím, že v průběhu provozu se bude v drážce usazovat karbon, který by také neměl omezit pohyb kroužku. Jako povrchové ochrany pro pracovní stranu pístního kroužku se používá galvanicky nanesená vrstva tvrdochromu. R - s válcovou těsnící plochou ; ET jednostranný trapézový kroužek; T trapézový kroužek; M/SM minutový kroužek; N/NM těsnící kroužek s nosem; L L kroužek obr. 7 - typy těsnících kroužků

11 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 18 obr. 8 - Stírací kroužky s výřezem (S,G, D) obr. 9 - Stírací kroužky s výřezem a expandérem (SSF,DSF); kroužek skládaný (SLF) Pro svou koncepci pístu jsem zvolil těsnící kroužky, které jsou doporučeny koncernem VW pro motory 1.9TDI od výrobce Kolbenschmidt dle normy DIN s válcovou těsnící plochou,. minutový těsnící kroužek a jako stírací kroužek slouží stírací kroužek s pružinovým expandérem, Jednotlivé parametry kroužků jsou v tab. -4. obr.1 - Schéma rozměrů pístních kroužků H je výška kroužku A je šířka kroužku D vnější průměr kroužku v zamontovaném stavu (vrtání válce) dr je vnitřní průměr kroužku v zamontovaném stavu, dm je průměr drážky pro pístní kroužek v pístu, Vr je radiální vůle pístního kroužku Va je axialní vůle pístního kroužku S vůle v mezeře

12 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 19 tab. - parametry 1. těsnícího kroužku a jeho uložení (rozměry v mm) materiál kroužku 1. těsnící kroužek - obdélníkový litinový povrchová úprava kroužku pochromování výška kroužku Hk 1,1 1,75, výška drážky Hd 1 +,4 1,75,35 šířka kroužku A 1 3,4 vůle v mezeře kroužku S 1,3 radiální vůle kroužku Vr 1,6 MAX :,67 axiální vůle kroužku Va 1 MIN :,4 d m ( A + ) 71,5 1 D 1 Vr1 r d m1 + Vr1 d 7,1 tab. 3 - parametry. těsnícího kroužku a jeho uložení (rozměry v mm). těsnící kroužek - minutový materiál kroužku litinový s kuličkovým grafitem povrchová úprava kroužku pochromování výška kroužku Hk,1,, výška drážky Hd +,4,,35 šířka kroužku A 3,3 vůle v mezeře kroužku S,3 radiální vůle kroužku Vr,6 MAX :,67 axiální vůle kroužku Va MIN :,4 d m ( A + ) 71,7 D Vr r d m + Vr d 7,3

13 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana tab. 4 - parametry stíracího kroužku a jeho uložení (rozměry v mm) stírací kroužek - dvojitě zkosený s pružinovým expandérem materiál kroužku litinový s kuličkovým grafitem povrchová úprava kroužku pochromování výška kroužku Hk 3,1 3,, výška drážky Hd 3 +,4 3,,35 šířka kroužku A 3 3,65 vůle v mezeře kroužku S 3,5 radiální vůle kroužku Vr 3,6 MAX :,67 axiální vůle kroužku Va 1 MIN :,4 d m ( A + ) 71, 3 D 3 Vr3 d d + Vr 71,6 rš mš š 4.4. Kluzné ložisko Pro lepší kluzné vlastnosti jsem použil pouzdro z ložiskového materiálu 141 za tepla zalisovaného do hliníkového tělesa pístu. Po zalisování je vyfrézováno na průměr 6H6 pro plovoucí pístní čep. Pro vybírání pístního kroužku, který zajišťuje píst proti pootočení je vytvořena v tělese ložiska vybírací drážka. Na ložisko je pórovitě nanesen cínový bronz CuSn1 o přibližné síle,5mm. Do této kostry je naválcovaná směs polytetrafluorethelenu (PTFE) Pístní čep Přenáší silové účinky mezi pístem a ojnicí. V důsledku proměnnosti směru i velikosti zatěžujících sil, od tlaku plynů a setrvačných hmotností pístu a pístních kroužků, je pístní čep namáhán únavově. Zatížení má charakter rázů. Poruchy pístních čepů jsou nejčastěji způsobené trhlinkami. Pro malý relativní pohyb třecích ploch pístních čepu nálitku v pístu a ložiska oka působí nepříznivě na mazání stykových ploch. Uložení pístních čepů bývá většinou volné v oku ojnice i nálitcích pístního čepu a potom tedy mluvíme o plovoucím pístním čepu.jeho výhoda spočívá v snadné montáži, a rovnoměrném opotřebení. Mazaní plovoucích pístních čepu je prostřednictví olejové mlhy. Nevýhodou je že vůle uložení v uložení při studeném motoru můžou způsobit klepání a tedy zvýšenou hlučnost motoru než dostane čep suvného uložení po ohřátí na cca 11 C. Čep, který je za tepla nalisován do ojničního oka nazývá tzv. pevný. Ten má výhody oproti čepu plovoucímu, zejména v nižším ohybovém napětí, nepotřebuje je axiální zajištění a stabilitou pístu ve válci, jak vyplývá z porovnání výchylek pístu plovoucích a pevných na obr. 11

14 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 1 obr. 11 Výchylky ojnice pístu s plovoucích (a) a pevným čepem (b) Jelikož navrhuju pístní čep pro vznětový motory, je třeba volit průměr čepu výrazně větší než u motoru zážehových, vzhledem k větším zátěžným silám.ve své koncepci jsem se rozhodl pro použití plovoucí pístní čepu z mangano-chromové oceli 14. Vnější i vnitřní průměr čepu je cementován do hloubky okolo 1mm a kalen na tvrdost 6HRC, poté broušen a leštěn. Vnitřní průměr je z důvodů zvýšení únavové pevnosti vytvořen protlačováním za studena. Boční plocha je též broušena pro snížení opotřebování axiálních pojistek 4.6. Axiální pojistné kroužky Zabraňují kontaktu pístního čepu se stěnou válce. Pokud by došlo ke kontaktu pístního čepu se stěnou válce, znamenalos to roztavení materiálu hliníkové slitiny v oblasti oka pro pístní čep a zadření pístu, v důsledku vysokého tření pístního čepu o stěnu válce. Proti axiálnímu pohybu pístu jsem volil pojistný drátěný kroužek (obr.1) daný normou DIN 713 pro pístní čep o průměru 6. Je vhodný oproti segerovu pojistnému kroužku (obr. 13) jehož hrany můžou způsobovat únavové trhlinky a i oproti zahnutému drátěnému kroužku (obr. 13), u něhož hrozí vlivem únavového namáhání odlomení montážního zobáčku, což by způsobilo zadření pístu. obr. 1 pojistná drátěný kroužek

15 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana obr. 13 segerův pojistný kroužek (nalevo), zahnutý drátěný kroužek (napravo)

16 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 3 5. Základní rozměry, a parametry pístu pro vznětový motor Při návrhu hlavních rozměrů pístu vycházím z již dříve provedených a osvědčených konstrukcí. Pro návrh jsou rozměry vyjádřeny ve vztahu k vrtání válce D, jež má hodnotu 79,5 mm. Doporučené hodnoty pro čtyřdobé vznětové motory jsou uvedeny v tab.5, a k nim jsou přiřazené mnou navržené hodnoty. obr.14 hlavní rozměry pístu tab.5 hlavní rozměry pístu Rozměr pístu : Doporučená velikost [% D] Skutečné rozměry pístu průměr (vrtání) pístu D 1 79,5 výška pístu Hp , kompresní výšku pístu Hk ,8 vzdálenost mezi nálitky pro pístní čep Ho 4 9,3 výšku prvního můstku Hm , výšku druhého můstku Hm 4 7 6, průměr pístního čepu Dč , tloušťka dna pístu δ 7-1 1,

17 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 4 Jeden ze základních parametrů vznětového motoru je hodnota středního efektivního tlaku pe. Odvíjí se od ní další výpočty pro pevnostní kontrolu kritických míst průřezu pístu, protože podle této hodnoty vybereme daný indikátorový diagram (obr. 15) z něhož poté určíme maximální tlak plynů ve válci pmax. Tento diagram je graf, zobrazující průběh tlaku ve válci pístového spalovacího motoru v závislosti na natočení klikového hřídele. Indikátorové digramy nám byly poskytnuty pro určité hodnoty středního efektivního tlaku. Výpočet středního efektivního tlaku pe Je možno jej stanovit na základě údajů o jmenovitých otáčkách motoru n, počtu válců i, efektivní výkon motoru Pe, taktnosti motoru τ a zdvihové objemu jednoho válce Vz. Pe pe n VZ τ i 77 p e p e 1, MPa 6,5 4 (1) Běžné hodnoty středního efektivního tlaku pro vznětové motory s přímým střikem paliva jsou v rozmezí,75 až 1,7MPa. Pro tuto hodnotu středního efektivního tlaku jsem nenalezl indikátorový digram, nejbližší jiný indikátorový digram je pro středního efektivního tlak p e 1, 1MPa. Obr Indikátorový diagram pro čtyřdobý vznětový přeplňovaný motor o efektivním tlaku pe 1,1 Mpa Z indikátorového digramu jsem vyčetl nejvyšší hodnotu maximálního tlaku plynů ve válci motoru pmax 16,65MPa při úhlu natočení klikového hřídele 48, bráno od sací horní úvratě.

18 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 5 Stanovení velikosti objemového ( litrového ) výkonu motoru P 1 Pe P1 1 VZ i 77 P ,5 4 P 1 4, 61Kw l 1 () Určení zdvihového poměru k vypočítám ho ze známých hodnot D vrtání válce motoru a Z zdvih pístu Z k D (3) 95,5 k 79,5 k 1, pro vznětové motory se hodnoty zdvihového poměru k pohybují v rozmezí,8-1,. Stanovení velikosti střední pístové rychlosti cs c S c S c S Z n (4) 95,5 1 1,73m s Střední pístová rychlost cs by neměla překročit u vznětových motorů rychlost 1 13,4 m s.jelikož nepřesáhla tuto povolenou hodnotu, návrh hlavních rozměrů pístového spalovacího motoru je tudíž ukončen. V opačném případě bych musel provést opakovanou volbu základních parametrů a postup zopakovat.

19 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 6 6. Základní rozměry klikového mechanismu Hlavními rozměry klikového mechanismu jsou : průměr (vrtání) válce D, zdvih pístu Z, poloměr klikové hřídele rk, délka ojnice l. Průměr (vrtání) válce D a zdvih pístu Z mám určen, ze zdvihu Z pístu určím poloměr klikové hřídele rk. Z r K (5) 95,5 r K r K 48, 5mm Délku ojnice spočítám ze vztahu, kde λ je ojniční poměr, který má být volen v rozsahu, až,3. Já volím hodnotu ojničního poměru λ,5. r l K (6) λ l 48,5 l 19mm

20 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 7 7. Silový rozbor klikového mechanismu Ze silového rozboru dle obr. 16 potřebuji získat pro další výpočty síly: Maximální sílu od tlaků plynů Fp,max Maximální setrvačnou sílu Fs,max Maximální normálovou sílu Fn,max.( Fb,max) Celkovou maximální sílu Fc,max obr.16 - silového rozbor pístu Maximální síla od tlaků plynů Fp,max D F p,max π pmax 4,795 F, max π p 16, F p 8, 6KN, max 6 (7)

21 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 8 Maximální setrvačná síla Fs,max Setrvačná síla je vyvolána setrvačnými silami hmotnosti koruny pístu při doběhu pístu do horní úvrati. Pro výpočet setrvačné síly musíme znát hmotnost koruny pístu, tuto hmotnost jsem určil nástrojem pro určování hmotností těles v programu ProEngineer a její hodnota je m X, 5kg. Dále je třeba znát maximální úhlovou rychlost ϖ max otáčení klikového hřídele. n ϖ max π (8) 3 4 ϖ max π 3 1 ϖ 418, s max 88 Pro maximální setrvačnou sílu tedy platí F s,max. ě S, max X k max 1 λ ( ) ě ( 1,5) F m r ϖ + (9) F S, max,5 48,5 418,88 + F S, 6KN, max Celková maximální síla Fc,max Je dána odečtením maximální setrvačné síly F s,max od maximální sílu od tlaků plynů Fp,max. F F F (1) C, max P,max S,max F C, max F C, max 8, KN Maximální normálová síla Fn,max.( Fb,max) Pro určení maximální normálové síly Fn,max musím určit úhel β svírající osu pístu s osou ojnice, při kterém je maximální tlak ve spalovacím prostoru. Maximální tlak je při úhlu natočení klikového hřídele 48 oproti základní poloze. Úhel natočení klikového hřídele je α 11. Pro úhel β platí: ( λ sinα ) (,5 sin ) β a sin (11) β asin 11 β 13, 4 Pro maximální normálovou Fn,max sílu tedy platí: F F tan β (1) N, max C,max F N,max 8 tan13, 4 F N 19, 6KN, max

22 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 9 8. Pevnostní kontrola kritických průřezů pístu Složitost tvaru pístu, i jeho namáhání umožňuje pouze informativní výpočet zahrnující základní namáhání vyvolané tlakem plynů při spalování a setrvačnými silami. Zatěžující účinky v podání tepelného toku průřezu pístu, proměnnost zatěžujících účinků a vlivy vrubových účinků vyvolávajících koncentraci napětí nejsou v mých výpočtech vzhledem k značné složitosti zahrnuty, a jsou souhrnně respektovány velikostí dovolených hodnot napětí. Pro přesnější určení všech zatěžujících účinků bych použil metodu konečných prvků s využitím softwarových programů. Kontrolní pevnostní výpočet prvotního návrhu pístu vychází z podobnosti namáhání provedených u osvědčených konstrukcí pístu Pevnostní výpočet dna pístu Pevnostní výpočet dna pístu je prováděn na ohyb. Výpočtovým modelem dna pístu je kruhová deska, vetknutá nebo podepřená na obvodě zatížená rovnoměrným spojitým zatížením od tlaku plynů. Vzhledem k velikosti silových účinkům je vliv setrvačných sil zanedbán.při výpočtu maximálního ohybového napětí je možno dále pro přibližný výpočet nahradit kruhovou desku přímým nosníkem, u něhož náhradní zatěžující účinek, osamělá síla F p max/ působí v těžišti půlkruhové plochy desky a reakce vyvolaná tímto zatížením, o stejné velikosti, v těžišti půlkruhového oblouku. obr výpočtový model zatížení dna pístu

23 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 3 Maximální síla tlaku plynů F ' P, max působící na kruhovou desku F' P,max π r pmax (13) F 6 ' P, max 34 16,65 1 ', max 6, π F P 46KN kde r [m] je poloměr vetknutí (podepření) desky Maximální ohybový moment středu nosníku, platí pro něj M, max je u desky nahrazené přímým prutem zřejmě ve F' P,max r F' P,max 4 r D F' P, max M,max (14) π 3 π 6 π, π M 18, 1Nm M,max,max Pro výpočet moment odporu v ohybu W, potřebujeme znát hodnotu tloušťky dna pístu δ [m], platí W,34, W 1,13 1 m W r δ (15) Po vypočtení hodnoty maximální ohybového momentu můžeme spočíst maximální ohybové napětí, max M, max a průřezového modulu W M,max,max (16) W 18,1,max 6 1, ,46MPa,max Vypočtená hodnota napětí odpovídá použitému lineárnímu modelu kruhové desky. Skutečná hodnota napětí je však výrazně ovlivněna vetknutím nebo podepřením desky na obvodě. Pro případ dna vznětového pístu budu uvažovat za případ desky vetknuté, pro kterou platí vztah

24 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 31,max, 5 r p max (17) δ,34,max,5 16,65,1,max 48,17MPa Dovolené hodnota napětí pro písty z hlinkových slitin je v rozmezí 4 MPa. dov Nejslabší místo pláště pístu Bývá u většiny pístů v drážce pístu pro stírací kroužek, kde je stěna pístu zeslabena nejen samotnou drážkou, ale i otvory, kterými je odváděn setřený olej do klikové skříně motoru.v mém případě je však olej odváděn vnější stěnou pístu pomoci čtyř kanálků, a proto tedy zeslabení otvory odvádějící setřený olej do klikové skříně nehraje roli. Je zde navíc zeslabení v podání toroidného chladícího kanálu jež se vine kolem celého obvodu pístu jež je však vykompenzováno dostatečnou tloušťkou stěn kolem kanálu a celý průřez místem stíracího kroužku je tak v porovnání se zážehovými motory větší. Namáhání tlakem je vyvoláno tlakem plynů nad pístem. Pro maximální spalovací tlak je výsledná hodnota napětí dána vztahem tl, max tl, max FP, max (18) S x 864 tl,max 3,87 1 tl 8, 85MPa, max Kde x m je minimální příčný průřez pístu v drážce pro stírací pístní kroužek. Tuto hodnotu jsem určil na základě nástroje pro určování plochy v programu ProEngineer. Dovolená hodnota napětí pro současné hliníkové slitiny se pohybuje v rozmezí 3-4 MPa. Na konci výfukového zdvihu dochází při doběhu pístu do horní úvrati k namáhání vyšetřovaného průřezu na tah. Toto namáhání je vyvoláváno setrvačnými silami hmotnosti koruny pístu nad vyšetřovaným průřezem. S [ ] Pro tahové napětí vyvolané setrvačnou sílou F t S, max ve vyšetřovaném průřezu platí FS, max t (19) S x 6 t 3,87 1 t, 91MPa Dovolené napětí pro hliníkové slitiny t,dov 4-1 MPa. Z hlediska tahového napětí je píst předimenzován, jelikož jak už bylo zmíněno, průřez pístu v místě stíracího kroužku

25 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 3 musí býti značný z hlediska zajištění dostatečné tloušťky stěn kolem chladícího kanálu procházejícího tímto místem. Dále taky písty vznětových motorů nedosahují takových otáček jako písty motorů zážehových a tedy i setrvačné síly, jež určují velikost tahového napětí, nedosahují takových hodnot Měrný tlak na plášti pístu Měrný tlak na plášti pístu je vyvoláván normálovou silou, kterou působí píst na stěnu válce. Její maximální velikost je dosahována poblíž horní úvratě při pohybu pístu v průběhu expanzního zdvihu. Je určována kinematikou klikového mechanizmu a průběhem tlaku plynů ve válci motoru při hoření. Měrný tlak p vypočítám následovně: pl p pl F D L N,max pl 196 p pl,795,71 p pl 3, 55MPa () kde L pl [ m ] je nosná délka pláště pístu 8.4. Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem u Je vystaven velmi vysokému namáhání od tlaku plynů ve spalovacím prostoru za současného působení značných teplot. Rozložení tlaků v jednotlivých mezikroužkových objemech, při dosažení maximální hodnoty tlaku nad pístem, je dle výsledků měření uvedeno na obr. 18. obr.18 působení tlaků na druhý můstek

26 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 33 Výsledný silový účinek na můstek F m mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem je určen rozložením tlaků plynů v mezikroužkových mezerách Fm π 4 F π m,795 4 F m 1, 49KN ( D d ) (,9 p, p ) m max 6 6 (,7 ) (,9 16,65 1, 16,65 1 ) max (1) Tato síla namáhá můstek jako vetknutý nosník na ohyb a střih. Abych vypočítal ohybové napětí ve vetknutém můstku, musím nejdříve určit ohybový moment M a modul odporu v ohybu W. Pro ohybový moment M platí D d m M Fm () 4,795,717 M M, 45Nm Výpočet modulu odporu v ohybu W W 1 6 d H (3) m m 1 W,717, W 1,35 1 m kde H m [ m ] výška můstku Ohybové napětí ve vetknutém můstku spočtu M (4) W,45 6 1, ,13MPa

27 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 34 Pro smykové napětí τ platí F m τ (5) St 149 τ 1,35 1 τ 7,76Mpa 3 Kde S t [ m ] je průřez místě vetknutí, jež jsem určil na základě nástroje pro určování plochy v programu ProEngineer. Výsledné redukované napětí ( + 3 τ ) ( 15, ,76 ) red red (6) red red, 4MPa Uvážíme-li pokles pevnosti hliníkových slitin s nárůstem teploty při zohlednění vrubových účinků přechodu drážky pro pístní kroužek do stěny válce, nemá redukované napětí přesáhnout hodnotu 6-8 MPa.

28 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Závěr Úkolem této bakalářské práce byl návrh základních rozměrů motoru, klikového ústrojí a podle empirických vztahů určit základní rozměry pístní skupiny. Dále bylo úkolem pro zadaný průběh indikátorového diagramu a navrženou kinematiku klikového mechanizmu provést pevnostní kontrolu kritických průřezů pístu čtyřdobého vznětového přeplňovaného motoru pro osobní automobil. Po těchto krocích bylo dále úkolem zpracovat konstrukční řešení pro píst vznětového motoru. Vycházel jsem ze základních parametrů jako je vrtání a zdvih motoru 1,9TDI PD DPF 77 kw uváděných výrobcem. Ze zadaných hodnot vrtání a zdvihu jsem určil základní rozměry motoru a klikového mechanismu. Ze silového rozboru po určení výsledných sil, jsem dále mohl pokračovat v pevnostní kontrole kritických průřezů pístu. Po ověření kritických průřezů pro navržené rozměry jsem zpracoval výrobní dokumentaci pro daný vznětový píst. Úkoly obsažené v zadání práci byly splněny a dalším krokem pro přesnější návrh by byla optimalizace a kontrola metodu MKP s ohledem na dynamické namáhání pístu a klikového ústrojí.

29 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Přehled literárních zdrojů [1] RAUSCHER, J.: Ročníkový projekt. Brno, FS VUT 1996 [] RAUSCHER, J.: Vozidlové motory. Brno, FS VUT, Studijní opory [3] KOŽOUŠEK J.:Výpočet a konstrukce spalovacích motorů II.. Praha, SNTL 1983 [4] VLK, F.: Vozidlové spalovací motory. 1. vyd. Brno, 3. ISBN [5] URL: < [6] URL: < [7] URL: < [8] URL: <

30 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Přehled použitých veličin a jejich jednotek a [m] šířka prvního pístního kroužku cs [m.s -1 ] střední pístová rychlost D [m] vrtání válce motoru Dč [m] průměr pístního čepu dr [m] vnitřní průměr kroužku v zamontovaném stavu dm [m] průměr drážky pro pístní kroužek v pístu Fm [N] výsledný silový účinek na můstku Fb,max [N] maximální velikost normálové síly Fc,max [N] maximální velikost celkové síly Fn,max [N] maximální velikost normálové síly F p,max [N] maximální síla tlaku plynů na kruhovou desku Fp,max [N] maximální síla od tlaku plynů Fs,max [N] maximální velikost setrvačné síla H [m] výška prvního pístního kroužku Hd [m] výška drážky kroužku Hk [m] kompresní výška pístu Hm1 [m] výška prvního můstků Hm [m] výška druhého můstků Ho [m] vzdálenost mezi nálitky pro pístní čep Hp [m] výška pístu Hpl [m] výška pláště pístu i [-] počet válců motoru k [-] zdvihový poměr Lpl [m] nosná délka pláště pístu l [m] délka ojnice Mo [Nm] ohybové napětí ve vetknutém můstku Mo,max [Nm] maximální ohybový moment mx [kg] hmotnost koruny pístu nad řezem x-x n [min -1 ] jmenovité otáčky motoru Pe [W] efektivní výkon motoru Pl [kw.l -1 ] litrový výkon pe [Pa] střední efektivní tlak ppl [Pa] měrný tlak na plášti pístu pmax [Pa] maximální tlak plynů ve válci motoru r [m] poloměr vetknutí (podepření) desky rk [m] poloměr klikové hřídele S t [m ] vůle v mezeře kroužku S t [m ] průřez v místě vetknutí Sp [m] radiální vůle pístního kroužku Sx [m ] minimální příčný průřez pístu v drážce pro stírací pístní kroužek Va [m] axiální vůle pístního kroužku Vs [m] radiální vůle pístního kroužku Vz [m 3 ] zdvihový objem jednoho válce motoru Wo [m 3 ] moment odporu v ohybu (průřezový modul) Z [m] zdvih pístu δ [m] tloušťka dna pístu λo [-] ojniční poměr o [Pa] ohybové napětí

31 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana 38 o,max [Pa] maximální ohybové napětí red [Pa] výsledné redukované napětí t [Pa] tahové napětí ve vyšetřovaném průřezu tl,max [Pa] maximální namáhaní tlakem τ [-] taktnost motoru τ [Pa] smykové napětí ωmax [s -1 ] maximální úhlová rychlost otáčení klikového hřídele motoru

32 VUT FSI Ústav automobilního a dopravního inženýrství strana Seznam příloh Příloha 1 : Přikládám jedno vyhotovení bakalářské práce i s výkresovou dokumentací v elektronické podobě na CD Příloha : Soubor výrobních výkresů pístní skupiny