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 PÍSTNÍ SKUPINA ŘADOVÉHO ČTYŘVÁLCOVÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU PISTON GROUP O IN-LINE OUR-CYLINDER GASOLINE ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR rof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. BRNO 007

2 Vysoké učení technické v Brně, akulta strojního inženýrství Ústav automobilního a doravního inženýrství Akademický rok: 009/00 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): který/která studuje v bakalářském studijním rogramu obor: Strojní inženýrství (0R06) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č./998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské ráce: v anglickém jazyce: Piston grou of in-line-cylinder gazoline engine Stručná charakteristika roblematiky úkolu: Návrh a evnostní kontrola ístní skuiny řadového čtyřválcového zážehového motoru. Cíle bakalářské ráce: Pro dané základní geometrické, termodynamické a rovozní arametry ístní skuiny uvedeného motoru roveďte výočet termodynamického cyklu. Navrhněte základní rozměry válcové jednotky. Pro vybrané rovozní režimy roveďte evnostní kontrolu oka ojnice.

3 Seznam odborné literatury: Macek, J., Suk, B.: Salovací motory I, Vydavatelství CVUT 000, ISBN Heisler, H.: Advanced engine technology, SAE 00 Hafner, K.E., Maass, H.: Kräfte, Momente und deren Ausgleich in der Verbrennungskraftmaschine, Sringer-Verlag Wien-New York 995 Vedoucí bakalářské ráce: rof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. Termín odevzdání bakalářské ráce je stanoven časovým lánem akademického roku 009/00. V Brně, dne..009 L.S. rof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. Ředitel ústavu doc. RNDr. Miroslav Douovec, CSc. Děkan fakulty

4 Abstrakt Cílem bakalářské ráce, je evnostní kontrola ístní skuiny řadového čtyřválcového zážehového motoru. V rvní části ro zadané termodynamické, geometrické a rovozní arametry ístní skuiny uvedeného motoru rovedeme výočet termodynamického cyklu. Dále zjistíme silové účinky ůsobící na ístní skuinu v nejvíce namáhaných okamžicích cyklu. Pro takto zjištěné zatížení ístní skuiny rovedeme kontrolu naětí v ístním čeu a evnostní kontrolu oka ojnice. V závěru orovnáme vyočtené hodnoty naětí s dovolenými hodnotami a zjistíme návrhový koeficient bezečnosti ro danou součást. Abstract The aim of the thesis, it is strength control grou of ordinary four-cylinder iston gasoline engine. In the first art of the secified thermodynamic, geometric and oerational arameters of the motor iston grou will calculate the thermodynamic cycle. urthermore, we see the effects of force acting on the iston grou in the most strained moments of the cycle. or the reconstructed load iston grou erform voltage control in iston in and strength control rods of the eye. In conclusion, we comare the calculated values of ermissible stress values and find a design safety factor for the art. Klíčová slova Motor, ístní skuina, íst, ojnice, oko ojnice, termodynamický cyklus, izochorický, adiabatický děj, zakřivený rut, naětí, měrný tlak, setrvačná síla. Keywords: Engine, iston grou, iston, connecting rod, connecting rod eye, thermodynamic cycle, isochoric, adiabatic rocess, curved rod, tension, secific ressure, inertia ower.

5 Bibliografická citace: KRÁL, S.. Brno: Vysoké učení technické v Brně, akulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské ráce rof. Ing. Václav Píštěk, DrSc.

6 Čestné rohlášení Prohlašuji, že tuto bakalářskou ráci jsem vyracoval samostatně a bez cizí omoci. Přičemž jsem vycházel ze svých znalostí, odborných konzultací a dooručené literatury uvedené v seznamu. V Brně dne: odis

7 Poděkování: Děkuji vedoucímu bakalářské ráce rof. Ing. Václavu Píštěkovi, DrSc., za účinnou metodickou, edagogickou a odbornou omoc a další cenné rady ři zracovávání mé bakalářské ráce.

8 Obsah ráce Úvod...9 Poznámky k řešení...0 TECHNICKÉ PARAMETRY MOTORU... VÝPOČET TERMODYNAMICKÉHO CYKLU.... Veličiny nutné ro výočet termodynamického cyklu:.... Termodynamické děje..... Počáteční odmínky, sání..... Adiabatická komrese..... Izochorický řívod tela, hoření..... Adiabatická exanze slodin V diagram termodynamického cyklu zážehového motoru...5 VÝPOČET SIL PŮSOBÍCÍCH NA PÍST...6. Síla ůsobící na íst od tlaků lynů Maximální síla vyvolaná tlakem lynů...6. Setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny Hmotnost ístní skuiny Zrychlení ístní skuiny Setrvačná síla ůsobící na íst a ístní če...0. Velikost celkové síly ůsobící na ístní skuinu... VÝPOČET MĚRNÉHO TLAKU.... Měrný tlak mezi ístním čeem a ouzdrem oka ojnice.... Měrný tlak mezi ístním čeem a oky v ístu... 5 VÝPOČET NAPĚTÍ V PÍSTNÍM ČEPU Namáhání ístního čeu ohybem Rovnice statické rovnováhy uvolněného rvku rutu Modul odoru v ohybu Maximální ohybové naětí Namáhání ístního čeu smykem... 6 PEVNOSTNÍ KONTROLA OKA OJNICE Měrný tlak mezi ouzdrem a okem ojnice Zvětšení řesahu ouzdra v důsledku rovozní teloty motoru Výsledný měrný tlak Naětí ve vnějším a vnitřním vlákně Namáhání oka ojnice setrvačnou silou Nahrazení vazbových účinků silou a momentem Moment a normálová síla v místě vetknutí I-I Normálová naětí ve vnějším a vnitřním vlákně růřezu I-I Namáhání oka ojnice silou od tlaku lynů Nahrazení vazbových účinků silou a momentem Moment a normálová síla v místě vetknutí I-I Normálové naětí vyvolané tlakovou silou Výsledná naětí Únavové zatížení MSÚ, bezečnost vzhledem k meznímu stavu ružnosti MSP... 7 ZÁVĚR... Použité symboly...5 Seznam oužitých zdrojů...7

9

10 Úvod Od svého vzniku až o současnost rodělal zážehový motor dlouhou cestu vývoje. V současné době je trend vývoje salovacích motorů zaměřen na nízkoobjemové řelňované agregáty, kde se klade důraz na nízké emisní hodnoty. Oběh motoru začíná nasátím vzduchu, do kterého se řimísí alivo. Pokud je tvorba směsi zajištěna karburátorem nebo vstřikováním do sacího otrubí, jedná se o vnější tvorbu směsi. Palivo může být také vstříknuto římo do válce motoru, ak se jedná o vnitřní tvorbu. Po doběhu ístu do dolní úvrati dojde k uzavření sacího ventilu a následné komresi směsi. Zaálení směsi je závislé na otáčkách motoru. Při vyšších otáčkách je nutné zaálit směs dříve, tak aby došlo k dokonalému rohoření celého objemu směsi, neboť rychlost hoření směsi je konstantní. Po zaálení směsi dojde k exanzi zlodin hoření, řičemž íst koná ráci. Výkon je řenášen omocí klikového mechanismu na výstuní hřídel. Následuje výfuk zlodin, které rocházejí katalyzátorem. Ve výfukovém otrubí se také nachází lambda sonda, která slouží jako zětná vazba ro elektronickou říravu směsi. Výkon nutný ro komresi směsi je zajištěn setrvačnými hmotami setrvačníku, který v době řebytku akumuluje energii vzniklou hořením směsi a v době nedostatku ji naoak dodává, tímto zároveň vyhlazuje výstuní moment. Řízení ventilů je realizováno omocí vačkového hřídele. Rozeznáváme tři základní druhy ventilových rozvodů OHV, OHC a SV. V současné době se oužívá řevážně rozvodů OHC a OHV, rozvody SV jsou naříklad oužívány u motorů ro zahradní sekačky z důvodu jednoduchosti konstrukce. Umístění vačkového hřídele OHV rozvodu je v bloku motoru a ventily umístěné v hlavě válce jsou ovládány omocí vahadla, ventilovou tyčinkou a následně zdvihátkem. Výhodou toho systému je jednoduchá konstrukce hlavy válce a nařímení sacích a výfukových kanálu, což má za následek snížení odoru ři roudění vzduchu (směsi). Nevýhodou je ak větší hmotnost ohybujících se částí rozvodu. Ventilový rozvod OHC má umístěný vačkový hřídel nad hlavou válců, ventily ak v hlavě válců. Nevýhodou je složitější konstrukce hlavy motoru, avšak dosáhlo se redukce osuvných součástí rozvodu a tudíž ke snížení hmotnosti osuvných hmot. 9

11 Poznámky k řešení Při evnostních výočtech jsem ostuoval dle ročníkového rojektu, uvedeného v seznamu oužitých zdrojů od číslem []. Výočet termodynamického cyklu je roveden odle skrit termodynamiky v seznamu oužitých zdrojů od číslem []. Pro výočet jsem využil softwaru Mathcad, uvedené hodnoty jsou vyčísleny na dvě desetinná místa. 0

12 TECHNICKÉ PARAMETRY MOTORU Vybraným motorem ro stanovení rovozních, geometrických a termodynamických arametrů je motor určený ro ohon automobilu Škoda 0. Jedná se o čtyřdobý, benzínový, zážehový a řadový čtyřválec, chlazený kaalinou. O říravu směsi se stará dvoustuňový karburátor značky Jikov. Ventilový rozvod je realizován systémem OHV (overhead valves ventily shora v hlavě). V následující tabulce jsou uvedeny technické arametry motoru a arametry nutné ro výočet termodynamického cyklu. Tab. Parametry motoru a arametry nutné ro výočet termodynamického cyklu Vrtání válce Zdvih ístu d7 mm z7 mm Zdvihový objem 7 mm Komresní oměr Maximální výkon (ČSN) Stechiometrický směšovací oměr ε8,5 8, kw ři 5000 ot./min λ s,7 kg vzduchu/ kg aliva Součinitel řebytku vzduchu λ Atmosférický tlak Telota okolí Poissonova konstanta Měrná lynová konstanta 05 Pa r87,0 Měrná teelná kaacita c v 0,7 Jmenovité otáčky Sodní výhřevnost aliva (benzín) Teoretická účinnost zážehového motoru T 9,5 K κ, J kg kj kg K n5000 ot./min LHV η0, Počet válců i K MJ kg bržděný motor má v činnosti všechna říslušenství včetně odváděcího výfukového otrubí a tlumiče výfuku. množství vzduchu otřebné ro dokonalé shoření jednoho kilogramu aliva oměr skutečné řivedené hmotnosti vzduchu k hmotnosti vzduchu otřebné ro stechiometrické hoření λ skutečně řivedená hmotnost vzduchu odovídá teoretické sotřebě λ> chudá směs s řebytkem vzduchu λ< bohatá směs, nedostatek vzduchu

13 VÝPOČET TERMODYNAMICKÉHO CYKLU Pro modelování termodynamického cyklu oužijeme zjednodušený indikátorový oběh čtyřdobého zážehového motoru, obr. b. Jedná se o ideální izochorický oběh, tento oběh se skládá ze čtyř termodynamických dějů. Adiabatická komrese simuluje ohyb ístu z dolní úvratě do horní, ři zavřených sacích i výfukových ventilech. Jedná se o relativně rychlý děj, uvažujeme že nedojde k výměně tela stlačovaného objemu s okolím. Tento děj vyžaduje ráci nutnou ro stlačení směsi na komresní objem. Hoření aliva je zjednodušeno na izochorický řívod tela. Je nutné uvědomit si, že zhruba jen jedna třetina tela vzniklého hořením aliva se řemění na efektivní ráci salovacího motoru. Zbytek řivedené energie je odveden chladící soustavou, výfukovými lyny a část se sotřebuje na řekonání třecích sil v motoru. Po vyhoření aliva nastává racovní fáze motoru, adiabatická exanze. Pouze ři tomto ději motor vykonává ráci, íst se ohybuje z horní úvrati do dolní vlivem exandujících se slodin. Poslední fází termodynamického cyklu je výfuk zlodin vzniklých ři hoření směsi. Tento děj je nahrazen izochorickým odvodem tela []. Obr. a) Indikátorový diagram, b) Porovnávací diagram [] Dle obr.: a) - komrese b) - adiabatická komrese - zážeh - izochorický řívod tela - exanze - adiabatická exanze -5 výfuk - izochorický odvod tela 5- sání

14 . Veličiny nutné ro výočet termodynamického cyklu: Zdvihový objem: V z π d π (7 0 z ) 7 0,9 0 m Komresní objem: Vz + V ε V k k V k Vz,9 0 ε 8, m Celkový objem: V c V z + V k 5,9 0 +,9 0, 0 m Hmotnost nasátého vzduchu: 5 Vc, 0,0 0 Vc m r T m,99 0 T r 9,5 87,0 kg Hmotnost aliva: m b m λ s,99 0 5,7,7 0 kg Telo vzniklé hořením aliva: Q h m b 5 6 LHV,7 0 0, 0 J Telo řeměněné na výkon: Qη Qh 0,, 0 6, 6J. Termodynamické děje.. Počáteční odmínky, sání T 9,5 K V c, 0,0 0 5 m Pa

15 .. Adiabatická komrese Tlak na konci komrese: κ, κ κ V c 5, 0 Vc Vk,0 0, V k,9 0 6 Pa Telota na konci komrese: T T V V κ κ T Vc T V k, 0 9,5,9 0 5, 70,9K Objemová ráce: A Vc Vk,0 0, 0,06 0,9 0, 97J κ, Technická ráce komrese: (,97) 6, J A t κ A,.. Izochorický řívod tela, hoření Q V κ ( ) (, ) Q ( κ ) 6, ,06 0 5, V,9 0 k k Telota na konci hoření: 6 T T 5,89 0 T T 70,9,0 0 6,06 0 K 6 Pa.. Adiabatická exanze slodin Tlak na konci exanze: κ 5 κ κ Vk 6,9 0 Vk Vc 5,89 0,88 0 V c, 0, 5 Pa Telota na konci exanze: T T V V c k κ κ T V c T V k,0 0, 0,9 0, 86,K 5

16 Objemová ráce exanze: A Vk Vc 5,89 0,9 0,88 0, 0 7, 95J κ, Technická ráce exanze: A t κ A, 7,95 6, J Práce vykonaná cyklem A A + A,97+ 7,95, 98J 0 Teoretický výkon válcové jednotky ři jmenovitých otáčkách A0 n, ,87 0 W P t Teoretický výkon motoru ři jmenovitých otáčkách A0 n i, , P tc W..5 -V diagram termodynamického cyklu zážehového motoru 5

17 VÝPOČET SIL PŮSOBÍCÍCH NA PÍST Abychom byli schoni rovést evnostní kontrolu oka ojnice, musíme nejdříve určit její zatížení. Oko ojnice je zatíženo následujícími silami: a) silami od tlaků lynů ůsobících ři salování na dno ístu b) setrvačnými silami osuvných částí ístní skuiny c) ředětím od zalisování a ohřevu ložiskového ouzdra. Síla ůsobící na íst od tlaků lynů Na íst ůsobí tlak exandujících lynů, řičemž jeho hodnota je závislá na úhlu natočení klikového hřídele α. Nejvyšší hodnota tlaku je dosažena v horní úvrati ístu na začátku exanze. Tlak ůsobící na íst lze nahradit osamělou silou a její závislost na uhlu natočení klikového hřídele vynést do -α diagramu obr., []. Obr. -α diagram [].. Maximální síla vyvolaná tlakem lynů Horní úvrať (exanze) π d π 7 max 0 S ( max 0 atm ) ( max 0 atm ) (5,89 0,),6 0 N Dolní úvrať (exanze) π d π 7 max 80 S ( max80 atm ) ( max80 atm ) (0,9 0,) 76.8N 6

18 Síla ůsobící na íst ři sacím zdvihu vlivem odtlaku 0,08MPa. π 7 ( ) ( 0,08 0,) 8, N π d sací S ( atm ) atm. Setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny Pístní skuina se skládá z ístu, ístních kroužků, ístního čeu a jeho axiálního zajištění obr.. Pro výočet setrvačné síly je nutné znát hmotnost ístní skuiny m s, kterou soustředíme do hmotného bodu na ose ístního čeu. Jednotlivé hmotnosti byly odečteny z D modeláře Solidworks na základě vytvořených modelů a zadaných hustot materiálů součástí. Při zjišťování zrychlení vycházíme z ohybové rovnice ístní skuiny, její druhou derivací zjistíme okamžité zrychlení. Kinematické schéma ro odvození ohybové rovnice obr.. Pro usnadnění řešení zavádíme tzv. ojniční oměr λ o r / l. Při derivaci využijeme nekonečné řady omocí binomické věty. Maximální zrychlení nastává v dolní a horní úvrati. Závislost zrychlení na úhlu natočení klikové hřídele je znázorněna na obr.5, růběh setrvačné síly ak na obr.6, []. Obr. Sestava ístní skuiny včetně ojnice 7

19 .. Hmotnost ístní skuiny Celková hmotnost ístní skuiny včetně ístního čeu m m m ístu + n m íst. krouzek + m stír. krouz. + m íst. če + m ojist. krouzek (55,06+ 7,8+ 9,+ 88,5+ 0,7) 70, g 0,7kg Celková hmotnost ístní skuiny bez ístního čeu m m ístu + n m íst. krouzek + mstír. krouz. + m ojist. m (55,06+ 7,8+ 9,+ 0,7) 8,6 g 0,8kg krouzek.. Zrychlení ístní skuiny Obr. Kinematické schéma [] Pohybová rovnice ístní skuiny s s s l+ r ( l cosβ + r cosα) s f ( α) r ( cosα) + ( λ0 sin λo λo r cosα+ ( cosα ) α ) binomická věta Okamžitá rychlost ístní skuiny v v ds dsl dα ds ω dr dα dr dα r ω (sinα+ λo sin α ) 8

20 Okamžité zrychlení ístní skuiny a a dv dv ω dr dα r ω (cosα+ λ cosα ) o Obr.5 Zrychlení ístní skuiny Maximální zrychlení ístní skuiny v horní úvrati (α0 ) a 5000 r ω (+ λ0 ) 6 0 π (+ 0,7),5 m s Maximální zrychlení ístní skuiny v dolní úvrati (α80 ) 5000 a 80 r ω ( λ 0 ) 6 0 π 0 ( 0,7) 7,9 m s 60 9

21 .. Setrvačná síla ůsobící na íst a ístní če Velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny včetně ístního čeu s m a m r ω (cosα+ λo cosα ) Velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny bez ístního čeu s m a m r ω (cosα+ λo cos α ) Obr.6 Průběh setrvačné síly ístní skuiny Maximální velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny v horní úvrati včetně ístního čeu s 0 m a 0 0,70,5 0,6 0 N Maximální velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny v horní úvrati bez ístního čeu s 0 m a 0 0,8,5 0,5 0 N ístního čeu Maximální velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny v dolní úvrati bez ( 7, 0 ),66 N s 80 m a 80 0,70 0 0

22 ístního čeu Maximální velikost setrvačné síly osuvných částí ístní skuiny v dolní úvrati bez ( 7, 0 ),0 N s 80 m a 80 0,8 0. Velikost celkové síly ůsobící na ístní skuinu Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu bude v horní úvrati na začátku exanzní doby. Její velikost je součtem setrvačných sil a sil od tlaku lynů []. Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu v horní úvrati včetně ístního čeu c0 max 0 + s0,6 0,6 0,89 0 N Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu v horní úvrati bez ístního čeu c0 max 0 + s0,6 0,5 0,0 0 N Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu v dolní úvrati včetně ístního čeu c 80 max 80 + s 80 76,8+,66 0, 0 N Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu v dolní úvrati bez ístního čeu c 80 max 80 + s 80 76,8+,0 0,79 0 N Maximální celková síla ůsobící na ístní skuinu v horní úvrati ři sacím zdvihu (včetně ístního čeu) csaci sací + s0 8,,6 0,7 0 VÝPOČET MĚRNÉHO TLAKU N V následujících výočtech budeme uvažovat maximální sílu ůsobící na ístní skuinu, tj. sílu v horní úvrati. Tuto osamělou sílu řevedeme na měrný tlak, ůsobící na styčné loše ístu-ístního čeu a ístního čeu-oko ojnice a rovedeme kontrolu. Geometrické rozměry byly odměřeny z reálné součásti viz. obr.7, tab., [].

23 Obr.7 Rozměry charakterizující uložení ístního čeu [] Tab. Rozměry uložení ístního čeu Průměr ístu D 7mm Vnější růměr ístního čeu da 0mm Průměr odlehčení ist.čeu di mm Šířka ojničního oka a mm Délka styčné lochy ístu a ístního čeu l,75mm Délka ístního čeu lc 58,5mm Vzdálenost nálitků ro ístní če b 9mm Zkosení ojničního ouzdra r s 0,5mm. Měrný tlak mezi ístním čeem a ouzdrem oka ojnice c 0,89 0 o, 0MPa ( a r ) d 0 s a ( 0,5). Měrný tlak mezi ístním čeem a oky v ístu lc b 58,5 9 l,75mm c 0 0, 96MPa d l 0,75 a

24 Dovolené hodnoty naětí měrného tlaku ro ísty z hliníkových slitin ro neřelňované motory: ojnice 0 až 9MPa, íst 5 až MPa. Měrný tlak mezi ístním čeem a ouzdrem oka ojnice řesahuje dovolenou hodnotu []. 5 VÝPOČET NAPĚTÍ V PÍSTNÍM ČEPU 5. Namáhání ístního čeu ohybem Sojité zatížení řevedeme na zatížení osamělými silami, obr.8. Če nahradíme rutovým modelem daného růřezu, obr.9. Maximální ohybový moment ůsobí urostřed délky ístního čeu. S využitím symetrie úlohy uvolníme rvek rutu, obr.0, []. Obr.8 Nahrazení sojitého zatížení ístního čeu osamělou silou [] Obr.9 Ohybové namáhání ístního čeu [] Obr.0 Uvolněný rvek rutu []

25 5.. Rovnice statické rovnováhy uvolněného rvku rutu M M M o,max o,max o.max c 0 lc b b a rs + c 0,9 0 lc + b ( a rs ) 5,7Nm 58,5+ 9 ( 0,5) Modul odoru v ohybu d i d a 0 0,65 W o π d a d d i a π d a π (0 0 ) [ ] ( 0,65) 7 [ ] 6,5 0 m 5.. Maximální ohybové naětí M 5,7 o,max o, max 09, 7 7 Wo 6,5 0 MPa Dovolené hodnoty naětí ro ístní čey ze slitinových ocelí namáhaných ohybem 0,dov 50 až 500MPa, vyočtená hodnota vyhovuje daným ožadavkům. 5. Namáhání ístního čeu smykem τ 0,85 d ( + + ) 0,85,9 0 ( + 0,65+ 0,65 ) ) 0 ( 0,65 ) c0 max a ( 0,MPa Dovolené hodnoty naětí ro ístní čey ze slitinových ocelí namáhaných smykem τ dov 0 až 0MPa, vyočtená hodnota vyhovuje daným ožadavkům.

26 6 PEVNOSTNÍ KONTROLA OKA OJNICE Ojnice koná obecný rovinný ohyb, slouží ro transformaci vratného translačního ohybu ístu na rotační ohyb klikového hřídele. Skládá se z oka ojnice, hlavy ojnice a z dříku. V oku ojnice je nalisováno bronzové ouzdro ro uložení ístního čeu. Tvar hlavy ojnice se odvíjí od zůsobu výroby klikového hřídele, u kovaných, nedělených hřídelí, je nutné oužít z hlediska montáže dělenou hlavu sojenou ojničními šrouby. Pokud je však ojnice uložena na klikovém čeu na valivých ložiscích (dvoudobé motory), nebo je-li klikový hřídel dělený z jiného důvodu, lze oužít nedělenou hlavu ojnice. Ojnice je velmi namáhaná součást motoru, na kterou je zároveň kladen ožadavek na nízkou hmotnost z hlediska setrvačných sil, což musíme zohlednit ři jejím návrhu []. Tab. Rozměry ojničního oka Šířka ojnice a mm Vnější růměr oj.oka D 0 0mm Vnitřní růměr oj.oka d o mm Vnitřní růměr ouzdra d 0mm Obr. Základní rozměry ojničního oka 6. Měrný tlak mezi ouzdrem a okem ojnice Zalisováním ložiskového ouzdra do oka ojnice vzniká sojité zatížení (měrný tlak) na vnitřním ovrchu ojničního oka vlivem řesahu e. Tento měrný tlak se dále zvětšuje v důsledku teelné roztažnosti materiálu ouzdra během rovozu a vyvolává ve všech říčných růřezech oka určité konstantní naětí. Pro výočet tohoto naětí oužijeme model silnostěnné nádoby namáhané vnitřním řetlakem []. 5

27 Obr. Naětí oka ojnice v důsledku zalisování a ohřevu ojničního oudra [] Materiálové charakteristiky: Bronz: Součinitel lineární teelné roztažnosti Modul ružnosti v tahu α b 5,8 0 K,5 0 E b 5 MPa Ocel: Součinitel lineární teelné roztažnosti Modul ružnosti v tahu α o 5,0 0 K, 0 E o 5 Poisonova konstanta µ 0, MPa Přesah ouzdra řed zalisováním do ojničního oka Ohřev oka ojnice za rovozu motoru e 0, 0mm t 0 K 6.. Zvětšení řesahu ouzdra v důsledku rovozní teloty motoru e t 5 5 ( α ) 0 (,8 0,0 0 ), mm d t b α Výsledný měrný tlak c o D D 0 + d d, 6

28 c d d + d d i i ,5 e+ e 0,0+, 0 6, c c, 0, 0,5 0, 0 + µ µ + d E E, 0,5 0 0 b t Naětí ve vnějším a vnitřním vlákně MPa Vnější vlákno: d a 6,9 9, MPa D d 0 0 Vnitřní vlákno: D0 + d 0 + i 6,9 56, MPa D d 0 0 Dovolená hodnota měrného tlaku dov 00 až 50MPa, vyočtené hodnoty vyhovují daným ožadavkům. 6. Namáhání oka ojnice setrvačnou silou Namáhání setrvačnou silou je vyvoláno osuvnými částmi ístní skuiny, řičemž maximum je dosaženo ří doběhu ístu do horní úvrati mezi výfukovým a sacím zdvihem. Průběhy zatížení a naětí v ojničním oku, obr.. Pro výočet naětí nahrazujeme oko ojnice modelem silně zakřiveného rutu, obr., o oloměru r, což je oloměr sojnice těžišť říčných růřezů. Všechny růřezy kolmé na střednici jsou namáhány kombinovaně na ohyb a tah. Ve vnějších vláknech růřezu vznikají normálová naětí as. Jejich největší hodnota je v růřezu I-I v místě ukotvení oka do dříku ojnic, odovídající úhlu ukotvení φ z 0. Průběh naětí ve vnitřních vláknech is má maximum v růřezu kolmém na osu ojnice. Během zatěžování dosedne ístní če na stykovou lochu s ouzdrem oka ojnice, což vyvolá sojité zatížení q na horní olovinu oka ojnice. Vzhledem k symetrii zatížení i geometrie rutu je možno rut v růřezu 0-0 řerušit a vazbové ůsobení druhé části rutu nahradit silovými účinky, tj. momentem M os a normálovou silou nos []. 7

29 Obr. Průběhy zatížení a naětí v ojničním Obr. Model silně zakřiveného oku [] kruhového rutu [] Poloměr střednice D0 + d 0+ r mm Nahrazení vazbových účinků silou a momentem m M M os os nos nos csací r 0,8Nm ( 0,000 ϕ 0,097),7 0 0 ( 0, ,097) z ( 0,57 0,0008 ),7 0 ( 0,57 0,0008 0) ϕ csací, 0 N z 6.. Moment a normálová síla v místě vetknutí I-I M M M s s s ns ns ns M os +,78Nm nos r 0,8+, 0 N ( cosϕ z) 0,5 csací r ( sinϕ z cosϕ z) 0 ( cos0 ) 0,5,7 0 0 ( sin0 cos0 ) cosϕ + 0,5 ϕ nos, 0,9 0 z csací cos0 + 0,5 ( sinϕ z cos z),7 0 ( sin0 cos0 ) 8

30 6.. Normálová naětí ve vnějším a vnitřním vlákně růřezu I-I Tloušťka stěny oka ojnice D d 0 h 0 mm Vztahy ro výočet normálových naětí jsou odvozeny za ředokladu, že výsledný vnitřní moment M s řenáší ouze říčný růřez oka ojnice S 0. Normálovou sílu ns však řenáší i růřez ouzdra oka ojnice S []. Příčný růřez oka ojnice S D d a 9mm 9, 0 m Příčný růřez ouzdra oka ojnice S d d a mm, m Podmínka: rodloužení oka i ouzdra ojnice v růřezu I-I jsou stejná k E S k 0 ns 0 0,88 ( k ) E S b ns k E 0 E0 S0 S + E 0 b S, 0 5, 0 9, , 0 5 +,5 0, 0 5 Naětí ve vnějším vlákně růřezu I-I as as as M s 6 r + h + k h( r + h) 6 0, ,8 MPa ns a h + 0 ( ) + 0,88, Naětí ve vnitřním vlákně růřezu I-I is M is s 6 r + h + k h( r h) 6 0 is, ,56Ma ns a h + 0 ( 0 0 ) + 0,88,

31 6. Namáhání oka ojnice silou od tlaku lynů Tlak lynů ve válci ři exanzním zdvihu vyvozuje sojité zatížení f( ψ) q na oko ojnice. Předokládejme, že výslednice tohoto sojitého zatížení ůsobí v ose ojnice. Pro výočet oužijeme oět model silně zakřiveného rutu, vetknutého v místě I-I obr.5. Pro řešení úlohy využijeme její symetričnosti, výsledné vnitřní účinky v růřezu 0-0 jsou normálová síla not a ohybový moment M ot []. Obr.5 Namáhání oka ojnice silou od tlaku lynů [] 6.. Nahrazení vazbových účinků silou a momentem Úhel zakotvení oka do dříku ojnice součinitele a f( ϕ z) a a f( ϕ z). ϕ z 0, 69rad, na jeho základě určíme a a 0,0085 0,00 M not ot a a c0 c0 0,0085,89 0 r 0,00, ,85N,5 0 0,7Nm 6.. Moment a normálová síla v místě vetknutí I-I J J π ϕ z 0,05 sinϕ z π,69 cosϕ z sin0 cos0 0

32 Ohybový moment M M M t t t c0 r a,89 0 5,76Nm + a 0 ( cosϕ ) z J π 0,00+ 0,0085 ( cos0 ) 0,05 π Normálová síla nt nt nt c 0 a cosϕ z + J π,89 0 0,0085 cos0 + 0,05 π 57,09N 6.. Normálové naětí vyvolané tlakovou silou Vnější vlákno at at at M t 6 r + h + k h( r + h) 6 0 ( 5,76) 0 80,9MPa nt a h + 0 ( ) + 0,88 57, Vnitřní vlákno it M t it 6 r + h + k h( r h) 6 0 it ( 5,76) 0,9 MPa nt a h + 0 ( 0 0 ) + 0,88 57, Výsledná naětí Výsledná naětí jsou dána součtem jednotlivých naětí ůsobící na oko ojnice během exanzního a sacího zdvihu.

33 Vnější vlákno ři exanzním zdvihu max at + a 80,9+ 9, 0, 97 MPa Vnitřní vlákno ři exanzním zdvihu max it + i,9+ 56, 78, MPa Vnější vlákno ři sacím zdvihu max as + a 89,8+ 9, 8, 5 MPa Vnitřní vlákno ři sacím zdvihu max is + i 78,56+ 56,, MPa 6.5 Únavové zatížení MSÚ, bezečnost vzhledem k meznímu stavu ružnosti MSP Amlituda naětí (,) max max 78, a 00, 7MPa Střední naětí (,) max + max 78, + m 77, 89MPa Uvažovaný materiál ojnice: ČSN R m 75MPa R e 50MPa Bezečnost vůči meznímu stavu ružnosti k Re max 50 78,,5 Mez únavy materiálu co 0,5 R m 0,5 75 6, 5 MPa

34 Korekční součinitelé ro výočet korigované meze únavy Součinitel ovrchu k b a a R m,5 75 Součinitel velikosti k b, d 0,07 Součinitel zatížení k c Součinitel teloty k d,0 0,65, Součinitel solehlivosti k e 0,8 Součinitel dalších vlivů k f 0,79 0,07 0,89 Korigovaná mez únavy c k k 07,97MPa c co a b k c k d k e k f 6,5 0,79 0,89,0 0,8 Bezečnost vzhledem k MSÚ dle Goodmanova kritéria k a + R c m m 00,7 + 07,97 77,89 75,69

35 7 ZÁVĚR Pro výočet byly oužity konkrétní geometrické rozměry reálných součástí daného motoru. Tyto součásti rošly rocesem několika otimalizací, kde byly ři návrhu využity zkušenosti získané exerimenty a dlouholetou raxí ři návrhu. Pro otimalizaci také mohly být oužity nejen analytické metody návrhu, ale také numerické metody jako naříklad metody konečných rvků. Proto musíme vzít v úvahu, že orovnáváme výočty oužité ro rvotní orientační návrh rozměrů součásti s rozměry skutečné součásti, která rošla již zmíněným rocesem otimalizace. Nevyhovujících naětí ři měrném tlaku mezi čeem a ouzdrem oka ojnice a měrném tlaku mezi čeem a oky v ístu, solu s nízkou bezečností vzhledem k MSÚ, mohou být důsledkem rávě této skutečnosti. Nutno odotknout, že se jedná o jednotky MPa. Dalším důvodem by mohlo být oužití materiálů s vyššími dovolenými naětími než jsme uvažovali. Provedené výočty by měly sloužit ouze k rvotnímu návrhu a osloužit jako rvní záchytný bod ři návrhu. Tento návrh bude dále otimalizován za omocí očítačových metod (MKP-metody konečných rvků), nař. ANSYS, oříadě exerimentů. V současné době dochází k integraci těchto softwarů římo do D CAD systémů, díky čemuž lze rovést snáze rvotní evnostní kontrolu již během samotného návrhu. Použitím těchto očítačových metod, lze minimalizovat nutnost exerimentů, které jsou často finančně a časově velmi nákladné. Příkladem muže být tým Virgin formule, jehož monoost byl bez testů v aerodynamickém tunelu navržen ouze metodou CD, která simuluje dynamiku kaalin.

36 Použité symboly d [mm] Vrtání válce z [mm] Zdvih ístu ε [-] Komresní oměr V z [m ] Zdvihový objem V k [m ] Komresní objem V c [m ] Celkový objem [MPa] Tlak T [K] Telota m [kg] Hmotnost nasátého vzduchu m b [kg] Hmotnost aliva Q h [J] Telo vzniklé hořením aliva Q [J] Telo řeměněné na výkon λ s [-] Stechiometrický směšovací oměr LHV [MJ kg - ] Sodní výhřevnost aliva η [-] Teoretická účinnost zážehového motoru i [-] Počet válců A [J] Objemová ráce A t [J] Technická ráce P [kw] Výkon motoru n [min - ] Jmenovité otáčky motoru [N] Síla vyvolaná tlakem lynů s [N] Setrvačná síla osuvných částí c [N] Celková síla ůsobící na ístní skuinu m [kg] Celková hmotnost ístní skuiny včetně ístního čeu m [kg] Celková hmotnost ístní skuiny bez ístního čeu s [m] Dráha ístu v [ms - ] Rychlost ístu a [kg] Zrychlení ístu l [mm] Délka styčné lochy íst-ístní če a m [mm] Šířka ojničního oka zmenšená o zkosení/zaoblení D [mm] Průměr ístu d a [mm] Vnější růměr ístního čeu d i [mm] Průměr odlehčení ístního čeu l c [mm] Délka ístního čeu 5

37 b [mm] Vzdálenost nálitků ro ístní če M o [Nm] Ohybový moment W o [m ] Modul odoru v ohybu o [MPa] Ohybové naětí τ [MPa] Smykové naětí a [mm] Šířka ojnice D 0 [mm] Vnější růměr ojničního oka d o [mm] Vnitřní růměr ojničního oka d [mm] Vnitřní růměr ouzdra α [K - ] Součinitel lineární teelné roztažnosti E [MPa] Modul ružnosti v tahu e [mm] Přesah ouzdra t [K] Ohřev oka ojnice za rovozu motoru h [mm] Tloušťka stěny oka ojnice S 0 [m ] Příčný růřez oka ojnice S [m ] Příčný růřez ouzdra oka ojnice k [-] Konstanta vyjadřující odíl normálové síly a f(φz) Emiricky získaný součinitel a f(φz) Emiricky získaný součinitel φ z [ ] Úhel zakotvení oka v dříku ojnice J [-] Bezrozměrný koeficient r [mm] Poloměr střednice a [MPa] Amlituda naětí m [MPa] Střední naětí co [MPa] Mez únavy materiálu c [MPa] Korigovaná mez únavy Rm [MPa] Mez evnosti Re [MPa] Mez kluzu k [-] Bezečnost k a [-] Součinitel ovrchu k b [-] Součinitel velikosti k c [-] Součinitel zatížení k d [-] Součinitel teloty k e [-] Součinitel solehlivosti k f [-] Součinitel dalších vlivů r s [mm] Vnitřní skosení hrany ojničního ouzdra 6

38 Seznam oužitých zdrojů [] PAVELEK, Milan, et al. Termomechanika..vydání. Brno : Akademické nakladatelství CERM, s. ISBN [] Rauscher, J.: Ročníkový rojekt. [] VLK, rantišek. Vozidlové salovací motory..vydání. Brno : Prof. Ing. rantišek Vlk, DrSc., s. ISBN