VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING PŘESTAVBA VÍCEVÁLCOVÉHO MOTORU NA EXPERIMENTÁLNÍ MOTOR DESIGN OF EXPERIMENTAL ENGINE BASED ON MULTI-CYLINDER ENGINE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. TOMÁŠ TVRDÍK doc. Ing. PAVEL NOVOTNÝ, Ph.D. BRNO 2012
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 2011/2012 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Tomáš Tvrdík který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Automobilní a dopravní inženýrství (2301T038) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Přestavba víceválcového motoru na experimentální motor Design of Experimental Engine based on Multi-cylinder Engine Stručná charakteristika problematiky úkolu: Navrhněte experimentální jednoválcový motor na základě sériového vznětového čtyřválcového řadového motoru. Stanovte koncepci experimentálního motoru. Navrhněte konstrukční úpravy sériových dílů. Proveďte konstrukční návrh nesériově vyráběných dílů motoru. Vypracujte odhad finančního rozpočtu potřebného k výrobě motoru. Cíle diplomové práce: 1) Rešerše zkušebních jednoválcových motorů 2) Volba koncepce 3) Konstrukce motoru 4) Výrobní dokumentace 5) Odhad finančního rozpočtu potřebného k výrobě motoru 6) Závěr
Seznam odborné literatury: [1] Kolektiv VÚNM a ČKD. Naftové motory čtyřdobé, 1. díl. Státní nakladatelství technické literatury, n.p., Druhé vydání, Praha, 1962. L123-B3-IV-41/2490 Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne 1.11.2011 L.S. prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. Ředitel ústavu prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty
OVA ABSTRAKT.. V a. K ABSTRACT This thesis refers to reconstruction of the serial tractor four-cylinder engine to one-cylinder experimental engine. The thesis includes a calculation and proposal of balancing unit. The other part of the thesis contains FEM calculation. In the conclusion there are evaluation of proposal and financial valuation of the engine production. KEYWORDS research engine, balancing unit, reconstruction, crankcase, finite element method BRNO 2012
CITACE B, T. 12. 62 doc.. BRNO 2012
zpracoval jsem ji a s seznamu. 25 12 BRNO 2012
P BRNO 2012
OBSAH OBSAH... 9 1... 10 1.1 Standart... 10 1.2... 11 1.3... 11 2... 12 2.1 Firma FEV... 12 2.2 Firma RICARDO... 14 2.3 Firma AVL... 15 3... 17 4... 18 4.1... 18 4.2... 19 4.2.1... 20 4.2.2... 21 4.2.3... 21 4.3... 22 4.3.1 Redukce ojnice... 22 4.3.2... 23 4.3.3 Setr... 24 4.3.4... 25 4.3.5... 26 4.4... 28 4.5... 30 4.6... 30 4.7... 31 4.8... 31 5... 34 5.1 Kinematika kliko... 34 5.1.1... 34 5.1.2... 34 5.1.3... 34 5.1.4... 35 5.2... 36 5.3... 37 BRNO 2012 7
OBSAH 5.3.1... 37 5.3.2... 39 5.3.3... 41 5.3.4... 42 5.3.5... 43 6... 44 6.1... 44 6.1.1... 44 6.1.2... 45 6.2... 46 6.3... 49 6.4... 50 7... 52... 55... 56... 58... 61 BRNO 2012 8
VOD VOD motoru na motor procesu v v klu v traktu a druhu turbodmychadla. : paliv, ja -paliva apod.) k [1] BRNO 2012 9
1 R 1.1 S 80. letech 20.. Obr. 1 520. [1] BRNO 2012 10
1.2 KONCEPCE T - 1.3 E Obr. 2 -Oktan [1] TUL. [1] Obr. 3 [1] BRNO 2012 11
2 V 2.1 FIRMA FEV technic - s - s - s hlavou ] Obr. 4 [2] BRNO 2012 12
FEV Systemmotor - Tab. 1 [2] Zdvih 50 mm 115 mm 60 mm 135 mm max. 6000 min -1 max. 8000 min -1 do 250 bar FEV HD Single Cylinder Tab. 2 [2] Zdvih 95 mm 150 mm 110 mm 170 mm max. 3500 min -1 do 300 bar FEV Large Bore Single Cylinder Tab. 3 [2] 240 mm 320 mm Zdvih 300 mm 450 mm max. 1200 min -1 do 250 bar BRNO 2012 13
2.2 FIRMA RICARDO 1. Hydra Tab. 4 Zdvih Typ paliva Ventily Taktnost 65 mm 110 mm 65 mm 110 mm sil Obr. 5 Ricardo Hydra [3] 2. Proteus Tab. 5 Zdvih Typ paliva Ventily min. 100 mm max. 150 mm min. 120 mm max. 165 mm do 250 bar OHV, SOHC, DOHC, VVT, Camless (EUI) Obr. 6 Ricardo Proteus MK2 [3] BRNO 2012 14
2.3 FIRMA AVL k tab. 6. Obr. 7 Motor firmy AVL [5] Tab. 6 Zdvih Objem Max. Max. tlak 540 65 mm-100 mm 60 mm-90 mm 0,2 l - 0,75 l 8000 min -1 200 bar 580 80 mm-100 mm 90 mm-130 mm 0,45 l - 1,2 l 5000 min -1 200 bar 530 110 mm-145 mm 120 mm-170 mm 1,2 l - 2,8 l 3000 min -1 300 bar k jsou BRNO 2012 15
BRNO 2012 16
U 3 T Zetor 1405 (viz obr. 8). Obr. 8 Motor Zetor 1405 [6] Tab. 7 Typ motoru Z 1405 81 kw 4 Objem 4156 cm 3 105 mm / 120 mm 2200 min -1 800 min -1 17,8 480 Nm 0,2 MPa 0,5 Mpa 0,05 Mpa kapalina BRNO 2012 17
ORU 4 N RU. 4.1 E otvory pro pro styk s mi obr. 9. o nutno, jsou uvedeny v tab. 8. Tab. 8 Zdvih 120 mm 80 mm 32 mm 66 mm 40 mm 2 Obr. 9 BRNO 2012 18
ORU 4.2 K exp viz. kapitola 2). Z blokem a hlavou aby motor byl em (obr. 10 a obr. 11). Obr. 10 Obr. 11 Nakonec jsem ose s z BRNO 2012 19
ORU 4.2.1 H pro s pro pohon. Z by vedlo k vlastnosti s ohledem na tuhost konstrukce. kapitole 4 na a, r. ni navrhl, zobrazen na obr. 12. Obr. 12 BRNO 2012 20
ORU 4.2.2 S. Obr. 13 4.2.3 N vzhledem k tomu,. Proto jsem se Obr. 14 BRNO 2012 21
ORU 4.3 V jednotky a v v i. ici je [7] V hmot. 4.3.1 REDUKCE OJNICE, zachoval jsem i. J jsou uvedeny v tab. 9. k tab. 9. Tab. 9 L oj U m ojt U m pt U m rt 215 mm 2,561 kg 0,899 kg 1,662 kg Abych mohl CAD zjistil hodnoty hmotnosti a polohy t : Obr. 15 Hmotnost ojnice m oj : a: b: 2,584 kg 144,782 mm 70,218 mm BRNO 2012 22
ORU,, : (1) (2),, kde m po m ro. 4.3.2 S rovnosti rovnici (5).,,, (3) (4) (5) kde r, hmotnost, Obr. 16 ] BRNO 2012 23
ORU 4.3.3 S U, dle rovnice (6). ja l.,, kde hmot,,,. (6) (7) (8) Z nebo volil rovnice (5). V kol pro pohon ( i s cenou. Z rovnice (6 S p1 grafu (graf 1). M je S p1max = 9298,75 [N]. S p1 [N] 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000-1000 0-2000 -3000-4000 -5000-6000 -7000-8000 -9000-10000 0 90 180 270 360 450 540 630 720 [ ] Graf 1 BRNO 2012 24
ORU 4.3.4 S U velikost je uvedena v rovnici (9,, (9) (10) (11) kde l, h nebo kapitole 4.3.3. a v grafu (graf 2) S p2max = 2595 [N]. S p2 [N] 2600 2200 1800 1400 1000 600 200-200 -600-1000 -1400-1800 -2200-2600 0 90 180 270 360 450 540 630 720 [ ] Graf 2 2 BRNO 2012 25
ORU 4.3.5 K realizaci s (obr. 17) z (obr. 18 a 19) b) a) Obr. 17 Obr. 18 - I. u BRNO 2012 26
ORU Obr. 19 - br. 20 oceli 11 523, ta jak komponentu, ale. Obr. 20 BRNO 2012 27
MOTORU Obr. 21 4.4 B - tzv. O- neo c a Blok jsem navrhl jako tzv. close-deck, tj. s ely, ka motoru. (viz. kapitola 4.7). BRNO 2012 28
MOTORU odlitku by z Obr. 22 Obr. 23 - BRNO 2012 29
MOTORU 4.5 S v vytvo jako z plechu. Ta z ocel 11 373, Obr. 24 4.6 N HU tab. 10 Tab. 10 Tlak Hmotnost 3V DC 15V DC 7,5 A 20 l/min 80 l/min 3,5 bar - 0,9 kg Obr. 25 BRNO 2012 30
MOTORU 4.7 N deslal v kapitole 4.4, k Olej je le viz. obr. 12 otvor. V parametry. Tab. 11 Hmotnost 12V DC 7 A 10 l/min 3,5 bar 1,5 kg Obr. 26 4.8 N. Motor je vyobrazen jsem v BRNO 2012 31
MOTORU Obr. 27 Obr. 28 BRNO 2012 32
MOTORU Obr. 29 BRNO 2012 33
CHANISMU 5 A 5.1 K MECHANISMU 5.1.1 P : (12) s 1, s 2 :,. (13) (14) 5.1.2 P U 6).,, (15) (16) kde je, n v. Vztah (14 1, v 2 :,. (17) (18) 5.1.3 P U (19) a 1, a 2 :,. (20) (21) BRNO 2012 34
CHANISMU 5.1.4 G Graf 3 Graf 4 BRNO 2012 35
CHANISMU Graf 5 5.2 I lci (graf 3). Graf 6 - BRNO 2012 36
CHANISMU 5.3 V 5.3.1 P Obr. 30 P Jed tla rovnice (22)., kde F p p i p atm S p (22) Jak plyne rovnice (22 v. V BRNO 2012 37
CHANISMU Z pmax = 97149,05 N a. S Graf 7 23)., kde F s m a (23) Graf 8 BRNO 2012 38
CHANISMU C 24):, kde F c (24) Graf 9 5.3.2 P OJNICE Obr. 31 BRNO 2012 39
CHANISMU S P sil rovnici (26).,, kde F o (25) (26) B Graf 10, kde F N (27) Graf 11 BRNO 2012 40
CHANISMU 5.3.3 R R F SO (28) F CO. (29) F o2. (30) F r. (31) ojnice F od. (31) em (32). (32) Graf 12 BRNO 2012 41
CHANISMU T (33) Graf 13 5.3.4 V MENTU NA JEDNOM ZALO, (34) kde M k Graf 14 BRNO 2012 42
CHANISMU 5.3.5 V, P e, (35) p e. z p e., (36) kde V z je taktnost motoru, i. P i, (37), (38) kde m BRNO 2012 43
6 MKP 6.1 TVORBA MKP MODELU roto jsem model vedlo ke (obr. 32 b) a modelu (obr. 32 a). a) b) V programu ProENGINEER do 6.1.1 D Obr. 32 Blok motoru: a) z - lohu jsem zvolil typ elementu SOLID 92 (obr. 33). Tento prvek je reprezentantem 3- - uzel v. BRNO 2012 44
Obr. 33 6.1.2 D ch v tab. 12. Tab. 12 = 7850 10-12 [t/mm 3 ] tahu (tlaku) = 0.3 E = 2,1 10 5 [Mpa] obr. 34. Tab. 13 Body (Keypoints) 413 Lines) 506 Plochy (Areas) 206 Objemy (Volumes) 4 Uzly (Nodes) 173468 Elementy (Elements) 106040 BRNO 2012 45
Obr. 34 Blok motoru - 6.2 M MOTORU z ANSYS tab. 14, ale u deformace frekvenc deformace tvaru, podle obr. 35 44. BRNO 2012 46
Tab. 14 1 603,62 Hz 2 633,02 Hz 3 805,93 Hz 4 1431,2 Hz 5 1461,6 Hz 6 1474,7 Hz 7 1584,8 Hz 8 1715,7 Hz 9 1819,4 Hz 10 1959,6 Hz programu ANSYS : Obr. 35 603,62 Hz Obr. 36 633,02 Hz Obr. 37 805,93 Hz BRNO 2012 47
Obr. 38 1431,2 Hz Obr. 39 1461,6 Hz Obr. 40 1474,7 Hz Obr. 41 1584,8 Hz Obr. 42 1715,7 Hz Obr. 43 1819,4 Hz BRNO 2012 48
Obr. 44 6.3 TVORBA MKP V programu ANSYS Z programu ProENGINEER jsem si tedy naimportoval jsem s v kapitole 6.1.2 (tab. 12). jsem nadefinoval V volnou l na polovinu pro tlak a v ech hla (obr. 45) Obr. 45 BRNO 2012 49
6.4 A kapitole 5.3.1 mohl zjistit deformaci F pmax. Obr. 46 Z 41,718 Mpa. hlediska musel jsem tuto hodnotu porovnat s avy jsem tahu R m = (500 Mp 1500 Mpa). tahu v R m = 520 Mpa. BRNO 2012 50
, kde (39) oval zjistit kde k,., (40) Obr. 47 Na obr. 47 deformaci (0,002 mm) ve spodu oka. T BRNO 2012 51
DROJE 7 F sem sestavil s c (tab. 17). motoru, uvedu pouze ce tab. 16 dokumentace. Tab. 15 Cena bez DPH [K ] Cena s DPH [K ] Cena s DPH celkem [K ] 2900,00 3480,00 3480,00 Tab. 16 Cena bez DPH [K ] Cena s DPH [K ] Cena s DPH celkem [K ] 55 750,00 66 900,00 66 900,00 Tab. 17 Rozpis Cena bez DPH [K ] Cena s DPH [K ] [-] Cena s DPH celkem 4230,00 5076,00 1 5076,00 5785,00 6942,00 1 6942,00 Gufero 100-120-12 87,80 105,36 1 105,36 Gufero 40-62-8 48,40 58,08 1 58,08 Hlava 10 300,00 12 360,00 1 12 360,00 17 520,00 21 024,00 1 21 024,00 6,00 7,20 1 7,20 2795,00 3354,00 1 3354,00 Kolo kompresoru 1090,00 1308,00 1 1308,00 Kolo rozvodu 1850,00 2220,00 3 6660,00 Kolo 3070,00 3684,00 2 7368,00 2223,00 2667,60 2 5335,20 195,00 234,00 1 234,00 BRNO 2012 52
DROJE Cena bez DPH [K ] Cena s DPH [K ] [-] Cena s DPH celkem - 83,00 99,60 1 99,60-81,00 97,20 1 97,20 1345,00 1614,00 1 1614,00 551,00 661,20 1 661,20 330,00 396,00 5 1980,00 Matice M14 1,60 1,92 6 11,52 Matice M6 0,20 0,24 13 3,12 Miska ventilu - 65,00 78,00 2 156,00 Miska ventilu - 52,00 62,4 2 124,80 Mrazovka 3,50 4,20 1 4,20 2950,00 3540,00 1 3540,00 125,00 150,00 1 150,00 - - 80,00 96,00 2 192,00 60,00 72,00 2 144,00 1,60 1,92 13 24,96 2,95 3,54 4 14,16 0,25 0,30 58 17,40 0,45 0,54 21 11,34 180,00 216,00 1 216,00 125,00 150,00 1 150,00 215,00 258,00 1 258,00 12 209,00 14 650,80 1 14 650,80 12,50 15,00 2 30,00 22,50 27,00 4 108,00 10,90 13,08 4 52,32 3,90 4,68 2 9,36 4,50 5,40 6 32,40 7,15 8,58 1 8,58 15,30 18,36 4 73,44 0,35 0,42 35 14,70 BRNO 2012 53
DROJE Cena bez DPH [K ] Cena s DPH [K ] [-] Cena s DPH celkem 0,45 0,54 14 7,56 0,45 0,54 44 23,76 1,20 1,44 2 2,88 1,20 1,44 2 2,88 1,50 1,8 4 7,20 1,90 2,28 4 9,12 2,20 2,64 6 15,84 2,60 3,12 3 9,36 1850,00 2220,00 1 2220,00 -hrdlo 743,00 891,60 1 891,60 Termostat 110,00 132,00 1 132,00 20,00 24,00 2 48,00 250,00 300,00 1 300,00 15,00 18,00 1 18,00 6,00 7,20 1 7,20 75,00 90,00 1 90,00 250,00 300,00 1 300,00 125,00 150,00 1 150,00 Vahadlo 285,00 342,00 2 684,00 1850,00 2220,00 1 2220,00 145,00 174,00 2 348,00 Ventil - 120,00 144,00 1 144,00 Ventil - 140,00 168,00 1 168,00 1881,00 2257,20 1 2257,20 12,00 14,40 2 28,80 59,00 70,80 2 141,60 198,00 237,60 2 475,20 104 983,14 [9] a [10] 14. 5. 2012. 175 363. BRNO 2012 54
DROJE P ROJE [1] [online]. <http://www3.fs.cvut.cz/web/fileadmin/documents/12241- BOZEK/publikace/2007/2007_003_01.pdf > [2] FEV Single Cylinder Engine Program [online]. <http://www.fev.com/content/public/default.aspx?id=493> [3] Advanced Research Engines - Ricardo <http://www.ricardo.com/en-gb/whatwe-do/technical-consulting/engines/research/advanced-research-engines> [4] Single Cylinder Research Engines and Compact test bed <https://www.avl.com/single-cylinder-research-engines-and-testbeds> [5] AVL Single Cylinder Research Engines. <https://www.avl.com/c/document_library/get_file?uuid=b01cc13a-6303-4d6b-9930-3755c59434e7&groupid=10138> [6] Motory Z7204,Z7250 ZETOR TRACTORS a.s. < http://www.zetor.cz/motory-z-7204-z-7205> [7] 1962. Kapitola 11, s. 249-260. [8] v. i. [online]. 8-2012. <http://www.it.cas.cz/files/skripta/12_unava_%20materialu_pri_period_zatezo VANI-ocr.pdf > [9] [online]. <http://shop.atpmotor.cz/index.php?kategorie=281-motory> [10] ZETOR SHOP- [online]. 0. < http://www.zetor-shop.cz/cz/menu/2616/nahradni-dily-zetor/zetor-uriii-/x7520-10540/motor/> BRNO 2012 55
Z z tato. V zvolil jednak z. oceli 11 bylo z. motor n a zm V k interferenci k ANSYS- - s V Z dle BRNO 2012 56
p porovnal s tak hodnoty 0,002 mm. T V cenou mat motoru jsou 70 380 Z motoru byly stanoveny na 175 363 BRNO 2012 57
S a [mm] a 1 [ms -2 ] 1. a 2 [ms -2 ] 2. a [ms -2 ] a [ms -2 ] b [mm] E [Mpa] tahu F CO [N] F N [N] F o [N] F o2 [N] F od [N] ojnice F p [N] F r [N] F rc [N] F s [N] F SO [N] F t [N] i [-] k [-] l [mm] ojnice L oj [mm] M k [Nm] m oj [kg] hmotnost ojnice m ojt [kg] m p [kg] m pist [kg] m po [kg] ojnice m pt [kg] m r [kg] m ro [kg] m rt [kg] BRNO 2012 58
m v [kg] n [min -1 ] p atm [Mpa] P e [kw] p e [Mpa] p i [Mpa] P i [kw] r [mm] R m [Mpa] mez pevnosti v tahu r v [mm] s 1 [mm] 1. s 2 [mm] 2. S p [N] S p1 [N] S p1max [N] S p2 [N] S p2max [N] S r [N] S v [N] s [mm] V Z [m 3 ] v [ms -1 ] ( ) m [-] [-] [-] [kgm -3 ] hustota c [Mpa] max [Mpa] pt [Mpa] [-] taktnost motoru [s -1 ] BRNO 2012 59
[kg] [mm] v 1 [ms -1 ] 1. [kg] [mm] v 2 [ms -1 ] 2. BRNO 2012 60
S 3-12-TT-1-0 2-12-TT-1-0/01 2-12-TT-1-0/02 2-12-TT-1-0/03 4-12-TT-1-0/04 4-12-TT-1-0-K 2-12-TT-1-1 4-12-TT-1-1/01 4-12-TT-1-1/02 4-12-TT-1-1/03 4-12-TT-1-1-K estavy 0-12-TT-1-2 4-12-TT-1-2/01 4-12-TT-1-2/02 4-12-TT-1-2/03 4-12-TT-1-2/04 4-12-TT-1-2/05 4-12-TT-1-2/06 4-12-TT-1-2/07 4-12-TT-1-2-K estavy 2-12-TT-1-3 4-12-TT-1-3/01 4-12-TT-1-3/02 4-12-TT-1-3-K 5-12-TT-1-4 6-12-TT-1-5 7-12-TT-1-6 8-12-TT-1-7 29-12-TT-1-8 0-12-TT-1-9 1-12-TT-1-10 2-12-TT-1-11 3-12-TT-1-12 4-12-TT-1-13 5-12-TT-1-14 6-12-TT-1-15 7-12-TT-1-16 8-12-TT-1-17 BRNO 2012 61
39-12-TT-1-18 0-12-TT-1-19 41-12-TT-1-20 42-12-TT-1-20/01 43-12-TT-1-20/02 44-12-TT-1-20-K 45-12-TT-1-20/01-K 46-12-TT-1-21 7-12-TT-1-22 48 2-12-TT-1-23 -12-TT-1-24 P -12-TT-1-12-TT-1-K BRNO 2012 62