VYSOKÉ UČENÍ TECNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY O TECNOLOGY AKULTA STROJNÍO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍO A DOPRAVNÍO INŽENÝRSTVÍ ACULTY O MECANICAL ENGINEERING INSTITUTE O AUTOMOTIVE ENGINEERING PÍST ČTYŘDOBÉO ZÁŽEOVÉO MOTORU O VÝKONU 108KW PISTON OR 108KW 4-STROKE SI-ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE DIPLOMA TESIS AUTOR PRÁCE AUTOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR KAREL BURÝŠEK ING. DAVID SVÍDA BRNO 008
Prhlášení Prhlašuji, že jse tut bakalářsku práci vypracval sastatně, pd vedení veducíh bakalářské práce pana ing. Davida Svídy a s pužití uvedené literatury. V Brně dne 1. května 008 Karel Burýšek
Pděkvání Za účinnu pdpru a bětavu pc, cenné připínky a rady při zpracvání bakalářské práce, tít děkuji veducíu bakalářské práce panu ing. Davidvi Svídvi. Dále chci pděkvat svý rdičů za pdpru při studiu na vyské škle a dále vše, kteří i byli nápcni p dbu trvání éh studia.
Antace Tat bakalářská práce se zabývá výpčtvý a knstrukční návrhe pístu čtyřdbéh zážehvéh tru pr sbní autbil se zaěření na hlavní rzěry pístu tak, aby byl schpen pracvat v pdínkách ke který je určen, p celu dbu jeh živtnsti. Pr tent návrh ptřebujee stanvit pevnstní výpčty, které jsu nedyslitelnu sučástí pstupu návrhu. Klíčvá slva: píst, tr, pístní kružek, pístní čep, klikvý echanisus Anntatin This Bachelr wrk is engaged in cputing and cnstructinal cncept f a pistn, intended fr the fur-strke spark-ignitin engine fr private cars whith a view t ain diensins f a pistn s that it shuld be able t wrk in cnditins, which are deterinated t, fr all the perid f it s lifetie. We need t set strength calculatins, which are inseparable part f the prject prcedure. Key wrds: pistn, engine, pistn ring, pistn pin, cranked echanis
Bibligrafická citace é práce: BURÝŠEK, K. Píst čtyřdbéh zážehvéh tru výknu 108kW. Brn: Vyské učení technické v Brně, akulta strjníh inženýrství, 008. XY s. Veducí bakalářské práce Ing. David Svída.
Obsah Sezna pužitých syblů... 9 1 Úvd.... 11 1.1 Klikvý echanizus tru 11 1.1.1 Píst.. 11 1.1.1.1 Tepelné zatížení pístu. 1 1.1.1. Chlazení pístu..... 1 1.1. Pístní kružky.... 13 1.1..1 Těsnící pístní kružek. 14 1.1.. Stírací pístní kružek.. 14 1.1.3 Pístní čep. 15 Výpčet pístvéh spalvacíh tru.. 1.1 Návrh základních rzěrů tru. 1.1.1 Efektivní výkn tru.. 1.1. Zdvihvý bje tru. 17.1.3 Kntrla bjevéh výknu tru 17.1.4 Zdvihvý pěr.. 17.1.5 P dsazení d rvnice V z dstanee vztah pr vrtání válce D 17.1. Velikst zdvihu pístu.. 17.1.7 Velikst střední pístvé rychlsti c s 17.1.8 Pr stanvený zdvihvý bje válce tru V z platí... 18. Návrh hlavních rzěrů pístu. 18..1 Vlba rzěrů knstrukčních prvků pístu.. 19..1.1 Výška pístu. 19..1. Kpresní výška pístu... 19..1.3 Výška pláště pístu... 19..1.4 Výška prvníh ůstku 0..1.5 Vzdálenst ezi nálitky pr pístní čep... 0..1. Průěr pístníh čepu.. 0..1.7 Výška druhéh ůstku... 0..1.8 Výška statních ůstků.. 0..1.9 Vzdálenst segervých kružků. 0..1.10 Tlušťka dna pístu.. 1.. Drážky pr pístní kružky.. 1...1 Radiální vůle pístníh kružku... 1... Axiální vůle pístních kružků....3 Drážky pr stírací pístní kružky..3 Tlušťka stěny pláště pístu. 3..4 Bční křivka pístu... 3.3 Pevnstní výpčet pístu.. 4.3.1 Pevnstní výpčet dna pístu 4.3.1.1 Maxiální síla tlaku plynů půsbící na kruhvu desku....3.1. Maxiální hybvý ent...3.1.3 Ment dpru v hybu (průřezvý dul)..3.1.4 Maxiální hybvé napětí..3.1.5 Pr desku vetknutu.3. Nejslabší íst pláště pístu. 7.3..1 Pr axiální spalvací tlak výsledná hdnta napětí.. 7
.3.. Miniální příčný průřez pístu v drážce pr stírací pístní kružek. 7.3..3 Maxiální síla d tlaku plynů 7.3..4 tnst kruny pístu nad řeze x-x 7.3..5 Plěr klikvéh hřídele.. 8.3.. Ojniční pěr. 8.3..7 axiální úhlvá rychlst táčení klikvéh hřídele tru... 8.3..8 Setrvačná síla.. 8.3..9 Tahvé napětí ve vyšetřvané průřezu 8.3.3 Měrný tlak na plášť pístu 8.3.3.1 Celkvá síla vyvlaná setrvačnýi silai a d tlaku plynů... 9.3.3. Úhel ptčení klikvé hřídele d hrní úvratě. 9.3.3.3 Úhel ezi su jnice a su válce 9.3.3.4 Maxiální nrálvá síla.. 30.3.3.5 Měrný tlak na plášti pístu 30.3.4 Můstek ezi první a druhý těsnící kružke... 30.3.4.1 Výsledný silvý účinek na ůstek. 31.3.4. Ohybvý ent 31.3.4.3 Mdul dpru v phybu. 31.3.4.4 Ohybvé napětí... 31.3.4.5 Průřez v ístě vetknutí... 3.3.4. Sykvé napětí... 3.3.4.7 Výsledné redukvané napětí... 3 3 Závěr... 33 4 Sezna pužité literatury... 34 5 Přílhy. 34
Sezna pužitých syblů a [] šířka pístníh kružku cs [.s -1 ] střední pístvá rychlst d N [] průěr drážky pr pístní kružek v pístu d R [] vnitřní průěr kružku v zantvané stavu D [] vrtání válce tru D a [] vnější průěr pístníh čepu D č [] průěr pístníh čepu D i [] vnitřní průěr pístníh čepu D R [] vnější průěr pístníh kružku v zantvané stavu c [N] celkvá síla vyvlaná setrvačnýi silai a d tlaku plynů [N] výsledný silvý účinek na ůstek n,ax [N] axiální nrálvá síla p,ax [N] axiální síla tlaku plynů půsbící na kruhvu desku p,ax [N] axiální síla d tlaku plynů sp,x [N] setrvačná síla pístu č [] vzdálenst segervých kružků k [] kpresní výška pístu [] výška statních ůstků 1 [] výška prvníh ůstku pístu [] výška druhéh ůstku pístu [] vzdálenst ezi nálitky pr pístní čep pl [] výška pláště pístu p [] výška pístu i [-] pčet válců tru k [-] zdvihvý pěr piestu [kg] htnst pístu x [kg] htnst kruny nad řeze vyšetřvanéh průřezu M [N.] hybvý ent M ax [N.] axiální hybvý ent n [in -1 ] jenvité táčky tru n ax [in -1 ] axiální táčky tru p e [Pa] střední efektivní tlak p ax [Pa] axiální tlak plynů ve válci tru p pl [MPa] ěrný tlak na plášti pístu p pl,dv [MPa] dpručená hdnta ěrnéh tlaku P e [W] efektivní výkn tru P l [kw*l -1 ] bjevý výkn tru r [] vnitřní plěr drážky pr pístní kružek r k [] plěr klikvéh hřídele S [] průřez v ístě vetknutí S p [] radiální vůle pístníh kružku S x [ ] iniální příčný průřez pístu v drážce pr stírací kružek V k [ 3 ] bje kruny pístu nad vyšetřvaný průřeze V z [ 3 ] zdvihvý bje jednh válce tru V [ 3 ] zdvihvý bje tru W [ 3 ] dul dpru v hybu W [ 3 ] ent dpru v hybu (průřezvý dul)
Z [] zdvih pístu α [ ] úhel ptčení klikvé hřídele d hrní úvratě α p,ax [ ] úhel ptčení klikvé hřídele při axiální tlaku plynů β [ ] úhel ezi su jnice a su válce δ [] tlušťka dna pístu λ [-] jniční pěr π [-] Ludlfv čísl ρ [kg/ 3 ] hustta ateriálu [Pa] hybvé napětí,dv [Pa] dvlené hybvé napětí,ax [Pa] axiální hybvé napětí ax [Pa] axiální hybvé napětí pr vetknutu desku t,dv [Pa] dvlené tahvé napětí t [Pa] tahvé napětí ve vyšetřvané průřezu tl,ax [Pa] napětí vyvlané tlake plynů red [Pa] výsledné redukvané napětí red,dv [Pa] dvlené redukvané napětí τ [Pa] sykvé napětí τ [-] taktnst tru, pr čtyřdbý tr ω ax [s -1 ] axiální úhlvá rychlst táčení klikvéh hřídele tru
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 11 1 Úvd Když se řekne tr, každý si pd tít pje představí strj, který vynalezl člvěk za účele ulehčení práce. Přestže si t nzí lidé neuvědují, je tu pravdu tak. unkcí tru je přeěňvat vstupní energii na pžadvanu výstupní energii, neb-li echanicku. Vstupní energii lze vyvlat různýi vstupníi édii, nejčastěji rpnýi prdukty, zení plyne neb uhlí za pcí cheických reakcí. V é případě jde try zážehvé. Zážehvý tr je v sučasné dbě bezespru nejužívanější a nejrzšířenější tepelný strje na světě. Běžně je pužíván jak phnný agregát sbních i některých nákladních autbilů, je sučástí čerpadel či vývěv a nezřídka kdy phání super výknné kpresry. Zážehvý čtyřdbý tr byl navržen r.187 něecký technike N.A.Otte. Jak paliv se v ně pužívá sěs benzínu a vzduchu, která se připravuje v karburátru. Zapaluje se svíčku ve válcích.mezi střední a vnější elektrdu přeskčí jiskra v kažiku, kdy rzdělvač spjí svíčku s vyský napětí(asi 10 000V). Píst psuvný phybe ve válci tru přeěňuje energii paliva na táčivý phyb klikvéh hřídele.[5] 1.1 Klikvý echanizus tru 1.1.1 Píst Při práci tru je píst zatěžván echanicky, silai d tlaku plynů a setrvačnýi silai vyvlanýi vratný phybe pístu a tepelně, vyvlanýi tepltai spalin ve spalvací prstru tru. Charakter zatěžujících účinků je rázvý, vyvlaný prudký nárůste tlaku a teplty ve spalvací prstru. Sučasně, v důsledku cyklických zěn těcht zatěžujících účinků, dchází k únavvéu naáhání ateriálu pístu. [] Na br.1 je uveden základní knstrukční schéa pístu br.1 Knstrukční prvedení pístu [] 1- dn pístu, - hrní ůstek, 3- drážky pr těsnící pístní kružky, 4- ůstky ezi drážkai pr kružky, 5- drážka pr stírací pístní kružek, - plášť pístu, 7- nálitek pr pístní čep, 8- ulžení pístníh čepu, 9- drážka pjistky pístníh čepu,
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 1 1.1.1.1 Tepelné zatížení pístu V důsledku příéh kntaktu se spalinai je nejvíce tepelně naáhán dn pístu, hrní ůstek a bzvláště pak přechdvé hrany ezi dne pístu a hrní ůstke. U nechlazených pístů běžné knstrukce je hlavní část tepla, 40 až 0 %, dváděna přes těsnící pístní kružky, 0 až 30 % je dváděn pláště pístu. Přes ezikružkvé ůstky ůže být dveden až 30% tepla za předpkladu, že je dsažen veli dbrý styk ůstku s pvrche stěny válce. Mi tepl, které píst přejíá ze spalin, je tepelně zatěžván i částí tepla vznikajícíh tření pístu a pístních kružků stěny válce. Je třeba si uvědit, že třecí ztráty pístní skupiny rychlběžných trů představují 45 až 5 % celkvých třecích ztrát. Písty vznětvých trů jsu tepelně více zatíženy než písty trů benzinvých. Rzlžení teplt na dně a plášti pístu u trů chlazených vzduche a kapalinu je uveden na br.. Maxiální pvrchvá teplta pístů z hliníkvé slitiny by neěla překrčit u běžných litých pístů hdntu cca. 30 C, kdy již dchází k výraznéu pklesu pevnsti hliníkvých slitin. U pístů kvaných je tent pkles pevnsti pněkud nižší. [] br. Rzlžení teplt na dně a plášti pístu [] 1.1.1. Chlazení pístu Překrčí-li teplta v drážce prvníh pístníh kružku 40 C je nutn zabezpečit její snížení. Další zvětšení výšky hrníh ůstku je nepřijatelné, prtže se sučasně zvyšuje i škdlivý bje nad píste v hrní úvrati, cž vede ke snížení ekničnsti prvzu a nárůstu bsahu zbytkvých uhlvdíků ve výfukvých plynech tru. Další z žnstí je chlazení pístu. V sučasné dbě se pužívá prakticky u všech přeplňvaných trů a t jak zážehvých, tak i vznětvých a je pužit i u některých značně zatížených trů nepřeplňvaných. U éně zatížených trů se pužívá nástřik dna pístu, br. 3, u trů
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 13 více zatížených jsu vytvřeny chladicí kanály v hlavě pístu, viz br. 4. Z tht brázku je patrný i vliv výrbních nepřesnstí sěrvání trysky na plnění kanálu. [] br.3 Nástřik dna pístu [] br.4 Chladící kanál v hlavě pístu [] 1.1. Pístní kružky Pístní kružky zabezpečují utěsnění spalvacíh prstru, dvd tepla z pístu d stěn válce a řídí výšku azací vrstvy leje ezi pláště pístu a stěnu válce. Těsnst spalvacíh prstru, z hlediska průniku spalin d klikvé skříně tru, zabezpečují pístní kružky těsnící. Ty se v pdstatné íře také pdílejí na dvdu tepla z pístu d stěn válce. Zabránění průniku leje nad píst a vytvření vhdné tlušťky azací vrstvy ezi píste a válce zabezpečuje kružek stírací. Pístní kružky jsu při prvzu tru naáhány silai setrvačnýi, silai d tlaku plynů a tření stěnu válce tru. Tyt síly jsu časvě prěnné a půsbí na kružek, který je hřátý na pěrně vysku tepltu, jednak průtke tepla z pístu, jednak teple vyvlaný tření stěnu válce. Za těcht btížných prvzních pdínek je nutn bezpečit dpvídající funkčnst a živtnst pístníh kružku. [] Základní prvky pístníh kružku jsu vyznačeny na br. 5.
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 14 1- záek pístníh kružku, - bční dsedací plcha kružku, 3- hlavní těsnící plcha, br. 5 Základní prvky pístníh kružku [] 1.1..1 Těsnící pístní kružek Základní charakteristické tvary příčných průřezů těsnících pístních kružků jsu uvedeny na br. a) kružek s válcvu těsnící plchu, b) kružek s kuželvu těsnící plchu, c) lichběžníkvý kružek, d) jednstranný trapézvý kružek, e) inutvý kružek trzní, f) pravúhlý kružek trzní, g) L kružek, br. Charakteristický tvar příčnéh průřezu těsnících kružků. [] 1.1.. Stírací pístní kružek U čtyřdbých trů regulují stírací pístní kružky tlušťku lejvé vrstvy na stěně válce tak, aby byla stykvá plcha válce a pístu c nejlépe azána a sptřeba leje v důsledku jeh spálení byla c nejenší. Pdle knstrukčníh prvedení je ůžee rzdělit na : litinvé pístní kružky využívající pr přítlak na stěnu válce vlastní pružnstí, litinvé, neb celvé pístní kružky se zvýšený přítlake vyvlaný
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 15 expandere, skládané celvé kružky.[] a), b) s pracvní plchu sazenu, c), d), e) kružky s výřezy, f) s výřezy a expandere, g), h) kružek skládaný, br.7 Stírací pístní kružky [] 1.1.3 Pístní čep Pístní čep přenáší silvé účinky ezi píste a jnicí. V důsledku prěnnsti sěru i veliksti zatěžujících sil, d tlaku plynů a setrvačných htnstí pístu a pístních kružků, je pístní čep naáhán únavvě. Malý relativní phyb třecích plch pístníh čepu, nálitků v pístu a lžisku jničníh ka půsbí nepříznivě na azání stykvých plch. Většinu bývá ulžen vlně v ku jnice i nálitcích v pístu. V t případě luvíe plvucí pístní čepu. Pr snížení hlučnsti studenéh tru, kdy vůle v ulžení pístníh čepu v pístu by hla způsbvat klepání, dsáhne pístní čep suvnéh ulžení až p hřevu pístu v blasti pístníh čepu na cca 110 C. U zážehvých trů je v některých případech pužit pístní čep, který je za tepla nalisván d jničníh ka. V tt případě se jedná tzv. pevný pístní čep. Výhdu tht řešení je žnst zenšení vnějšíh průěru čepu, prtže dchází k výraznéu snížení valizace pístníh čepu. Dsáhnee tak snížení htnsti pístníh čepu a sučasně dpadají axiální pjistky pístníh čepu. Pístní čepy pr zážehvé try jsu nralizvány nru ČSN 30130 a pr try vznětvé nru ČSN 30131.[] 1) vnější válcvá plcha, ) přechd je tvřen plěre veliksti 0,5 až 1, 3) vnitřní pvrch čepu, 4) bční plchy bývají u plvucích pístních čepů brušeny, br.8 Pístní čep []
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 1 Výpčet pístvéh spalvacíh tru lavníi rzěry pístvéh spalvacíh tru jsu vrtání válce D, zdvih pístu Z a pčet válců tru i. Tyt paraetry určují základní zástavbvé rzěry tru. Při výpčtu vycházíe z pžadavku na zadaný jenvitý výkn tru. Nejse ezeni zdvihvý bjee tru..1 Návrh základních rzěrů tru.1.1 Efektivní výkn tru n Pe pe Vz τ i VZ 0 V V Z Z 108000 500 1,1 10 0,5 4 0 3 3 0,453 10 Pe n pe τ i 0 (1) Tab. 1 Prvnání charakteristických paraetrů zážehvých trů [1] MOTORY zážehvé rk jenvité táčky [in -1 ] stř. píst. Rychlst [.s -1 ] stř. efekt. tlak [MPa] kpresní pěr [-] zdvihvý pěr [-] bjevý výkn [kw.d -3 ] in. ax. in. ax. in. ax. in. ax. in. ax. in. ax. bez 19 3400 5700 8, 14,7 0,5 1,1, 9 0,83 1,4 15 37 rzlišení bez rzlišení 1994 4000 500 10 19 0,5 1,5 7,5 10,5 0,7 1, 5 80 sací 003 4500 8800 11.5 4 0,8 1,3 9 1,5 0,7 1,3 31 88 přeplňvané 003 5000 7000 11 19.1 1,1 8 10,5 0,8 1, 50 103 Stanvení paraetrů ptřebných pr výpčet prvedee z Tab. 1 3 P e 108 10 [W] - výkn tru p e 1,1 10 [Pa] - střední efektivní tlak n 500 [in -1 ] - jenvité táčky tru τ 0,5 [-] - taktnst tru, pr čtyřdbý tr i 4 [-] - pčet válců tru
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 17.1. Zdvihvý bje tru V V V 0 Pe p n τ e 0 108000 1100000 500 0,5 1,81 10 3 3 vlí 1,850 10 3 3 ().1.3 Kntrla bjevéh výknu tru P l P l Pe V z 1000 108000 0,001850 10 9 1000 (3) P l 58,38kW l 1.1.4 Zdvihvý pěr D k [ - ] vlí 0,9 (4) Z.1.5 P dsazení d rvnice V z dstanee vztah pr vrtání válce D D D 3 3 Vz π k 4 0,00045 π 0,8 D 0,09 90 (5).1. Velikst zdvihu pístu Z k D Z 0,8 0,09 Z 0,07 7,c ().1.7 Velikst střední pístvé rychlsti c s n c S Z 0 c c S S 0,078 15, s 1 500 0 (7)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 18.1.8 Pr stanvený zdvihvý bje válce tru V z platí V V V z z z π D Z 4 π 0,09 0,07 4 3 3 0,458 10 (8). Návrh hlavních rzěrů pístu Při návrhu hlavních rzěrů pístu vycházíe z již dříve prvedených a svědčených knstrukcí. Pr návrh jsu rzěry vyjádřeny ve vztahu k vrtání válce D. viz br. 9 a Tab. br.9 hlavní rzěry pístu [1]
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 19 Tab. Dpručené eze charakteristických rzěrů pístů čtyřdbých trů [1]..1 Vlba rzěrů knstrukčních prvků pístu..1.1 Výška pístu p p p 0,9 D 0,9 0,09 0,081 81 (9)..1. Kpresní výška pístu k k k 0,5 D 0,5 0,09 0,045 45 (10)..1.3 Výška pláště pístu pl 0,0544 54, 4 (11) Vlí dle br.10 Obr. 10 výška pláště pístu pl v závislsti na vrtání válce D [1]
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 0..1.4 Výška prvníh ůstku 1 1 1 0,1 D 0,1 0,09 0,009 9 (1)..1.5 Vzdálenst ezi nálitky pr pístní čep 0,4 D 0,4 0,09 0,03 3 (13)..1. Průěr pístníh čepu φd č φd š φd č 0,8 D 0,8 0,09 0,05 5, (14) Vnitřní i vnější průěr vlí dle br. 11 Vnější φ D a 7 Vnitřní φ D i 18 Obr. 11 Vnější D a a vnitřní průěr D i pístníh čepu v závislsti na vrtání válce D [1]..1.7 Výška druhéh ůstku..1.8 Výška statních ůstků 0,0 D 0,0 0,09 0,0054 5,4 (15) u benzinvých trů, vlí dle lit [1] 0,03 D 0,03 0,09 0,007,7 (1)..1.9 Vzdálenst segervých kružků č č č 0,85 D 0,85 0,09 0,075 7,5 (17)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 1..1.10 Tlušťka dna pístu δ 0,0 D δ 0,0 0,09 δ 0,0054 5,4 (18).. Drážky pr pístní kružky V sučasné dbě se u pístu pr zážehvé a vznětvé try pužívají výhradně tři pístní kružky, dva těsnící a jeden stírací. Pr ulžení kružků a jeh správnu funkci p dbu živtnsti tru je veli důležitá správná velikst radiální a axiální vůle kružku v drážce....1 Radiální vůle pístníh kružku Pístní kružek nesí při vyezení vůle ezi píste a stěnu válce dsednut vnitřní stranu na dn drážky v pístu. Mezi kružke a zadní stěnu drážky usí být zachvána určitá radiální vůle. Tat vůle nesí být příliš veliká prtže se jedná ztrátvý bje d kteréh se v průběhu kprese stlačuje vzduch a v průběhu hření a expanze jsu d tht bjeu vtlačvány částice nespálenéh paliva a spaliny, cž zvyšuje nžství škdlivin ve spalinách tru. Radiální vůle je na br. 1 D R D vnější průěr kružku v nantvané stavu (vrtání válce) d R vnitřní průěr kružku v zantvané stavu d N průěr drážky pr pístní kružek v pístu S p radiální vůle pístníh kružku br. 1 Radiální vůle pístníh kružku [1] S p vlí pdle dpručené literatury [1] 0, a šířka pístníh kružku, vlí dle nry DIN 70 910 d d d N N N D ( a + S 90 (3,8 + 0,) 81, P ) (19)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana... Axiální vůle pístních kružků Rzhdující vlive je pravděpdbnst vzniku karbnvých úsad. Prt u prvníh pístníh kružku, kde v důsledku vyských teplt je nebezpečí vzniku karbnvé vrstvy značné, jsu axiální vůle větší než u druhéh pístníh kružku. dle nry DIN 70 910 axiální vůle prvníh pístníh kružku: drážka pístní kružek 0,045 + + 0,030 0,010 0,0...3 Drážky pr stírací pístní kružky axiální vůle druhéh pístníh kružku: 0,045 drážka,5 + + 0,030 0,010 pístní kružek,5 0,0 axiální vůle stíracíh pístníh kružku: 0,045 drážka 3 + + 0,030 0,010 pístní kružek 3 0,0 Drážky pr stírací pístní kružky jsu širší než drážky těsnících pístních kružků. Sučástí jejich knstrukce jsu i průřezy pr dvd setřenéh leje. Drážku vlí pdle br. 13. br. 13 Otvr pr dvd leje z drážky stíracíh kružku. [1] Nevhdně uístěné tvry hu u pístů chlazených nástřike leje vyvlat brácení sěru prudění leje a zvyšvat tak sptřebu leje. Aby k tu nedcházel je třeba uístit vyústění drenážníh tvru uvnitř pístu ve stěně, která je rvnběžná s su pístu a tedy i se sěre prudícíh leje, viz br. 14
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 3 br. 14 Vyústění drenážních tvrů uvnitř pístu. [1]..3 Tlušťka stěny pláště pístu Tlušťka stěny by u benzinvých trů ěla být iniálně 0,0 D 0,0 0,09 0, 0018 (0)..4 Bční křivka pístu V důsledku rzdílných teplt jedntlivých částí pístu není tvar netalickéh pístu z Al slitiny při nrální tepltě válcvý, ale tvarvaný tak, aby p hřátí tru na prvzní tepltu válcvéh tvaru dsáhl. Tu dpvídá tvar bční křivky pístu na br. 15 br. 15 Tvar bční křivky a valita pístu [1]
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 4.3 Pevnstní výpčet pístu Tvar pístu, viz br. 1, i jeh naáhání užňuje puze infrativní výpčet zahrnující základní naáhání vyvlané tlake plynů při spalvání a setrvačnýi silai. Další zatěžující účinky jak je tepelný tk průřezy pístu, prěnnst zatěžujících účinků i vlivy vrubvých účinků vyvlávajících kncentraci napětí, není žn pří d výpčtu zahrnut, a jsu suhrnně respektvány velikstí dvlených hdnt napětí. br. 1 Píst zážehvéh tru. [1].3.1 Pevnstní výpčet dna pístu Pevnstní výpčet dna pístu je prváděn na hyb. Výpčtvý dele dna pístu je kruhvá deska, vetknutá neb pdepřená na bvdě zatížená rvněrný spjitý zatížení d tlaku plynů. Vzhlede k veliksti silvých účinků je vliv setrvačných sil zanedbán.
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 5 Obr. 17 Zatížení dna pístu a výpčtvý del [1] Pr výpčet je třeba určit plěr vetknutí desky r, který je znázrněn na br. 17 a axiální tlak plynů ve válci tru p ax. Velikst tht tlaku lze určit z indikátrvéh diagrau, který je na br. 18 indikátrvý diagra tlak [MPa] 4,500 4,000 3,500 3,000,500,000 1,500 1,000 0,500 0,000 0 180 30 540 70 úhel tčení klikvé hřídele [1 ] Řada3 Obr. 18 Indikátrvý diagra [1]
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana.3.1.1 Maxiální síla tlaku plynů půsbící na kruhvu desku p ax p ax p ax π r p π 0,03 ax 4,3 10 17507,4N 17,51kN (1).3.1. Maxiální hybvý ent M M M,ax,ax,ax 3 r pax 3 3 0,03 4,3 10 3,87N ().3.1.3 Ment dpru v hybu (průřezvý dul) W W W 1 r δ 3 1 0,03 0,0054 3 3 0,349 10 (3).3.1.4 Maxiální hybvé napětí.3.1.5 Pr desku vetknutu,ax,ax,ax p ax 4,3 10 r δ 191,11 10 0,03 0,0054 Pa (4),,ax,,ax,,ax 0,5 p ax 0,5 4,3 10 47,78 10 r δ Pa 0,03 0,0054 (5) dle Tab. 3 pr dn s nízkýi žebry vyhvuje
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 7 Tab. 3 dnty dvlenéh napětí pr hliníkvé slitiny [1] Dn bez žeber, dv 0až5 MPa Dn s nízkýi žebry, dv 40až50 MPa [ ] [ ].3. Nejslabší íst pláště pístu Bývá u většiny pístů v drážce pístu pr stírací kružek, kde stěna pístu je zeslabena nejen satnu drážku, ale i tvry, kterýi je dváděn setřený lej d klikvé skříně tru..3..1 Pr axiální spalvací tlak výsledná hdnta napětí tl,ax tl,ax tl,ax p.ax S x 7355,4 1154,1 10 3,70 10 Pa ().3.. Miniální příčný průřez pístu v drážce pr stírací pístní kružek S S S X X X π D π d N + 4 4 π 81, π 73, 4 4 1154,1 10 ( 4 b h) ( d l) + ( 4 1 4) ( 3 4) (7).3..3 Maxiální síla d tlaku plynů p,ax p,ax p,ax π D pax 4 π 0,09 4,3 10 4 7355,4N 7,355kN (8).3..4 tnst kruny pístu nad řeze x-x x x x ρ V k 710 4,387 10 0,119kg 5 (9)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 8.3..5 Plěr klikvéh hřídele 0,07 r Z k 0,03 (30).3.. Ojniční pěr u sučasných trů se phybuje v rzezí 0, až 0,3 [1] rk λ [-]vlí 0, (31) l.3..7 axiální úhlvá rychlst táčení klikvéh hřídele tru ω ω ω ax ax ax π nax 30 π 7500 30 785,4s 1 (3).3..8 Setrvačná síla sp, x sp, x sp, x r ω λ x k 0,119 0,03 3171,1N ax ( 1+ ) 785,4 ( 1+ 0,) (33).3..9 Tahvé napětí ve vyšetřvané průřezu t t sp, x S,748 10 x 3171,1 t 1154,1 10 Pa (34) - dvlené napětí pr hliníkvé slitiny [1] t,dv 4 až 10 [MPa] drážka pr stírací kružek vyhvuje t < t, dv
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 9.3.3 Měrný tlak na plášť pístu Je vyvlaný nrálvu silu, kteru půsbí píst na stěnu válce. Její axiální velikst je dsahvána pblíž hrní úvratě při phybu pístu v průběhu expanzníh zdvihu. Je určvána kineatiku klikvéh echanizu a průběhe tlaku plynů ve válci tru při hření. viz. br. 19 br. 19 Silvé půsbení v klikvé echanizu [4].3.3.1 Celkvá síla vyvlaná silai setrvačnýi a d tlaku plynů c c c p,ax + ( ) sp, x 7355,4 3171,1 (35) 4184,3N.3.3. Úhel ptčení klikvé hřídele d hrní úvratě α α p,ax 30 α 379 30 α 19 (3).3.3.3 Úhel ezi su jnice a su válce β arcsin β arcsin β 3 44 ( λ sinα ) ( 0, sin19 ) (37)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 30.3.3.4 Maxiální nrálvá síla n,ax n,ax n,ax.3.3.5 Měrný tlak na plášti pístu p p p pl pl pl tgβ c 4184,3 tg3 44 1578,0N D n,ax pl L pl 1578,0 0,09 0,0544 0,33 10 Pa (39) (38) Dpručená hdnta ěrnéh tlaku na plášti pístu dle lit [1]: p pl, dp ( 0, 1,4 ) 10 Pa p pl < p pl, dp plášť pístu vyhvuje.3.4 Můstek ezi první a druhý těsnící kružke Je vystaven veli vyskéu naáhání d tlaku plynů ve spalvací prstru za sučasnéh půsbení značných teplt. Rzlžení tlaků v jedntlivých ezikružkvých bjeech, při dsažení axiální hdnty tlaku nad píste, je pdle výsledků ěření uveden na br. 0 br. 0 Rzlžení tlaků v ezikružkvých [1] Výsledný silvý účinek na ůstek ezi první a druhý těsnící kružke je určen rzlžení tlaků plynů v ezikružkvých ezerách. vis br. 1
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 31.3.4.1 Výsledný silvý účinek na ůstek br. 1 Naáhání ůstku [1] ( D d ) ( 0,9 p 0, p ) π 4 π 4 3197,3N ax [ 0,09 ( 0,91 0,09) ] ( 0,9 4,3 10 0, 4,3 10 ) ax (40).3.4. Ohybvý ent M M M D d 4 0,09 3197,3,475N ( 0,91 0,09) 4 (41).3.4.3 Mdul dpru v phybu W W W 1 π d 1 π 1,5 10 ( 0,91 0,9) 3 0,0054 (4).3.4.4 Ohybvé napětí M W,475 0,75 10 8,55 10 Pa (43)
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 3.3.4.5 Průřez v ístě vetknutí S π d S 1,081 10 S π 0,91 0,09 0,004 3 (44).3.4. Sykvé napětí τ τ τ S 3197,3 1,081 10,958 10 3 Pa (45).3.4.7 Výsledné redukvané napětí red red red ( + 3 τ ) ( 8,55 10 ) + 3 (,958 10 ) 9,980 10 Pa (4) Dvlené redukvané napětí ůstku dle lit. [1] 0 80 10 ( ) Pa red red < red, dv ůstek vyhvuje br. Knečný tvar pístu
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 33 3 Závěr Návrh pístu zážehvéh spalvacíh tru není jednduchá záležitst, je třeba k něu přistupvat zdpvědně. Pevnstní výpčet pístu se prvádí integrační etdu, kde výsledky usí dpvídat určitý ezí, jak je tu třeba u ěrnéh tlaku na plášť pístu. Mý úkle byl navrhnut píst čtyřdbéh zážehvéh tru výknu 108kW. T je veli becná věc, prtže dnes již existuje velká spusta různých tvarů pístů, které ají různá vybrání pr ventily, různé způsby dlehčení a nh dalších dlišnstí. V é případě jde návrh pdle ateriálu ddaný šklu, z th vyplývá, že jde rientační návrh tvaru pístu. Většina rzěrů by ěla spadat d určitých ezí, lze si tedy pr stejný výpčet zvlit více tvarů pístu, jak je tu například u zdvihvéh pěru, který se vlí v rzezí d 0,7 až d 1,3. Navrhnut píst tak, aby ěl téěř dknalé tvary si hu dvlit jen firy, které ají dstatek peněz na nealé investice d vývje. Knstrukční řešení pístu je řešen tak, aby píst byl c nejlehčí a snadn vyrbitelný. Sebeenší zvýšení htnsti pístu se prjevuje tak, že se při vyšších táčkách zvýší setrvačné síly. Drážky pr pístní kružky jsu vleny v tt přadí a rzěrech, první těsnící kružek á výšku, druhý těsnící kružek á výšku,5 a třetí stírací kružek á výšku 3 a v ně jsu uístěny tvry pr dvd setřenéh leje. Pístní čep je ulžen vlně v lžiskvé puzdru jnice, v nálitcích pr pístní čep je zajištěn pcí pjistnéh kružku. Nálitky pr pístní čep jsu se dne pístu spjeny nucí žeber pr snížení htnsti. Dn pístu je více tepltně naáhán, prt usí být chlazen nástřike leje. Ten sníží tepltu dna přibližně 0 C. Jinak dn pístu je rvné, v é návrhu není třeba vyrábět vybrání pr ventily. Tlušťka dna usí být vlena tak, aby nedšl k přesažení ezních hdnt hybvéh napětí. Výpčtvá kntrla pístu byla prvedena na naáhání dna pístu, nejslabšíh ísta pláště pístu v prstru pr stírací kružek, ěrný tlak na stěnu pístu a výsledný silvý účinek na ůstek pístu ezi první a druhý těsnící kružke. Kntrly splnily stanvené dvlené hdnty napětí a tlaků. Tat bakalářské práce splňuje všechny bdy zadání. Návrh knstrukčníh řešení je znázrněn ve výkresvé dkuentaci, viz přílha [].
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 34 4 Sezna Pužité literatury [1] Rauscher, J.: Rčníkvý prjekt (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [] Rauscher, J.: Vzidlvé try (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [3] Rauscher, J.: Spalvací try (studijní pry), Brn, Učební texty vyských škl [4] Rauscher, J.: Klikvý echanizus, Brn, Učební texty vyských škl [5] http://referaty-seinarky.cz/zazehvy-ctyrdby-tr/ [] http://ereferaty.blg.cz/0709/benzinve-try [7] http://www.awdc.cz/drupal/nde/40 [8] http://ktauda.hulak.cz/navdy_anualy/17/tm/tm/tr/pista.ht 5 Přílhy [1] 3D del pístu [] Výkres pístu
VUT SI Ústav autbilníh a dpravníh inženýrství Strana 35 Mdel pístu br. 3 br. br. 4 br. 7 br. 5 br. 8