VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

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 VENTILOVÝ ROZVOD VZNĚTOVÉHO MOTORU TRAKTORU VALVETRAIN OF COMPRESSION-IGNITION TRACTOR ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VOJTĚCH MIKULA ING. LUBOMÍR DRÁPAL BRNO 2014

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 2014/15 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Vojtěch Mikula který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Základy strojního inženýrství (2341 R006) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem 6.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Ventilový rozvod vznětového motoru traktoru Valvetrain of Compression-ignition Tractor Engine Stručná charakteristika problematiky úkolu: Konstrukční návrh ventilového rozvodu čtyřdobého vznětového přeplňovaného motoru daných parametrů pro pohon traktoru. Cíle bakalářské práce: Proveďte stručnou rešerši v oblasti ventilových rozvodů čtyřdobých vznětových traktorových motorů. Pro motor daných parametrů navrhněte ventilový rozvod. Proveďte pevnostní kontrolu součástí ventilového rozvodu analytickými metodami. Zpracujte výkresovou dokumentaci vybraných součástí ventilového rozvodu.

Seznam odborné literatury: [1] KOVAŘÍK, L., FERENCEY, V., SKALSKÝ, R., ČÁSTEK, L. Konstrukce vozidlových spalovacích motorů. Naše vojsko, První vydání, Praha, 1992. ISBN 80-206-0131-7. [2] RAUSCHER, J., Ročníkový projekt, Studijní opory VUT v Brně, 2005. [3] KOŽOUŠEK, J. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů II. SNTL Nakladatelství technické literatury, První vydání, Praha 1983, 488 s. [4] KOŠŤÁL, J., SUK, B. Pístové spalovací motory. Nakladatelství Československé akademie věd, První vydání, Praha, 1963. Vedoucí bakalářské práce:ing. Lubomír Drápal Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2014/15.

ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRAKT Bakalářská práce pojednává o hlavních typech a částech rozvodových ústrojí čtyřdobých motorů. Jsou zde uvedeny nejpoužívanější provedení rozvodů a jejich použití u traktorových motorů. V další části je dle navrhnutých rozměrů proveden pevnostní výpočet rozvodu a jeho konstrukce. KLÍČOVÁ SLOVA ventilový rozvod, OHV, OHC, vačka, ventil, konstrukce ABSTRACT This bachelor thesis deals with the main types and parts of the valvetrain systems of fourstroke engines. In the first part of the thesis are presented the most widely used versions of valvetrains and their use in the tractor engines. In the next part of the thesis is performed the construction and stress calculation of the valvetrain according to proposed proportions. KEYWORDS valvetrain, OHV, OHC, valve, cam, valve, construction BRNO 2015

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE MIKULA, V. Ventilový rozvod vznětového motoru traktoru. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015. 48 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Lubomír Drápal. BRNO 2015

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Lubomíra Drápala a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 28. května 2015..... Vojtěch Mikula BRNO 2015

PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Hlavní dík patří vedoucímu bakalářské práce Ing. Lubomíru Drápalovi za odborné rady a připomínky při řešení problémů při konstrukci. Také bych rád poděkoval rodině a přátelům za podporu při psaní práce. BRNO 2015

OBSAH OBSAH Úvod... 10 1 Konstrukční prvky rozvodů spalovacích motorů... 11 1.1 Historie... 11 1.2 Jednotlivé části ventilových rozvodů... 12 1.2.1 Ventily... 12 1.2.2 Ventilová sedla... 13 1.2.3 Vedení ventilu... 13 1.2.4 Ventilové pružiny... 14 1.2.5 Vahadla... 15 1.2.6 Rozvodové tyčky... 15 1.2.7 Zdvihátka... 15 1.2.8 Vačkový hřídel... 16 1.2.9 Pohon vačkového hřídele... 17 1.3 Ventilový rozvod vznětových traktorových motorů... 18 1.3.1 Vybrané příklady ventilových rozvodů traktorů... 18 2 Vlastní návrh ventilového rozvodu... 21 2.1 Koncepce ventilového rozvodu... 21 2.1.1 Postup výpočtů... 22 2.2 Zadané parametry potřebné pro výpočet motoru:... 22 2.3 Výpočty... 22 2.3.1 Návrh rozměrů sedel a ventilů... 22 2.3.2 Výpočet zdvihu ventilu... 24 2.3.3 Síly působící na ventily... 25 2.3.4 Síla pružin... 29 2.3.5 Rozměr pružin... 29 2.3.6 Kontrola vačkového hřídele... 32 2.3.7 Výpočet zdvihátka... 34 2.3.8 Rozvodová tyčka... 34 2.3.9 Pevnostní výpočet vahadla... 35 2.3.10 Základní rozměry ozubených kol... 37 Závěr... 39 Seznam použitých zkratek a symbolů... 41 Seznam příloh... 48 BRNO 2015 9

ÚVOD ÚVOD Spalovací motor je založen na principu přeměny chemické energie na energii mechanickou. U pístových motorů dochází vlivem hoření paliva k přetlaku, který tlačí na píst ve válci a tím roztáčí klikové ústrojí motoru. Výměna náplně ve válci je řízena rozvodem. Ten ovládá prvky, které zajišťují dobu nasávání směsi vzduchu a dobu výfuku spalin z motoru. Jedná se o kinematický mechanizmus. U dvoudobého motoru je rozvod řízen převážně pístem tzv. kanálový rozvod. U čtyřdobých motorů se v dnešní době používají ventily ovládané vačkami, které i přes jejich nevýhody předčí starší šoupátkový rozvod. V průběhu vývoje proběhl mnoha modernizacemi a i v dnešní době můžeme nalézt spoustu různých variant rozvodů. Dnešní trend je vytvořit elektronicky řízený rozvod, který umožňuje variabilně měnit jednotlivá časování. Cílem mé bakalářské práce je seznámit Vás s jednotlivými konstrukčními prvky rozvodů spalovacích motorů, používaných v traktorech a stavebních strojích. V další části práce jsou provedeny konstrukční výpočty jednoduchého ventilového rozvodu používaného ve spalovacích motorech. Při výpočtu se musí především dbát na všechna zrychlení jednotlivých prvků rozvodu. BRNO 2015 10

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ 1 KONSTRUKČNÍ PRVKY ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ 1.1 HISTORIE U prvních čtyřdobých motorů bylo potřeba řídit jednotlivá časování nasávání směsi vzduchu a dobu výfuku spalin z prostoru pracovního válce. Protože v té době nebylo možné vyrobit kvalitnější materiály potřebné k výrobě ventilového rozvodu, jako první se začal používat rozvod pomocí šoupátek, který byl již známý z parních strojů. Vzniklo mnoho variant, například válcové a rotační šoupátko. Obr. 1 Válcové a rotační šoupátko[4] Tento rozvod měl výhody v malé hlučnosti bez rázů a plynulosti kinematického pohybu. Jeho velkou nevýhodou byla složitost a problém s těsněním jednotlivých šoupátek. S příchodem kvalitnějších materiálů se mohl začít rozvíjet ventilový rozvod. K nejznámějším provedením patří rozvod SV (Side Valve ventil na straně válce), od tohoto provedení se dnes již spíše ustupuje, používá se převážně u menších motorů, protože tento typ rozvodu zabírá značnou část prostoru mimo válec a snižuje kompresní poměr. Dalším provedením je OHV (Over Head Valve ventil shora v hlavě). Toto řešení je dnes stále velmi využíváno, vyznačuje se malým škodlivým objemem ve spalovacím prostoru a umožňuje vyšší kompresní poměry motoru. Nevýhodou tohoto rozvodu je vyšší počet a hmotnost jednotlivých částí rozvodu s vratným pohybem, protože se musí překonat vzdálenost od vačkového hřídele umístěného nad klikovým hřídelem až po hlavu válce. Zde vznikají vyšší setrvačné síly a zvyšuje se příkon rozvodu. Tyto nevýhody eliminuje rozvod OHC (Over Head Camschaft vačkový hřídel nad hlavou), kde se nahradí části konající vratný pohyb součástmi, které konají pohyb rotační. Lze dosáhnout vyšších otáček s menší potřebou příkonu. Omezením tohoto rozvodu je funkčnost ventilových pružin, které při vyšších otáčkách vlivem setrvačnosti nestačí uzavírat ventily v hlavě válce. Obr. 2 Nejznámější provedení rozvodů [10]

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ 1.2 JEDNOTLIVÉ ČÁSTI VENTILOVÝCH ROZVODŮ 1.2.1 VENTILY U spalovacích motorů máme dva druhy ventilů, jeden sací a jeden výfukový. U dnešních motorů se můžeme setkat i s čtyřventilovou technikou: dva sací a dva výfukové, nebo s dalšími kombinacemi. Ventily by měly mít co nejlepší povrch, aby se nevytvářel odpor způsobený okolo proudícími plyny. Ventil je tvořen těmito částmi: (Obr. 3) Obr. 3 Hlavní části a rozměry ventilu [1] Talíř ventilu 1; Dřík 2; Ventilové sedlo - 3 Talíř ventilu musí mít dostatečnou tuhost, ale musí být zároveň i poddajný, aby se přizpůsoboval tvaru sedla ventilu, musí mít také ideální tvar dosedací plochy, aby po uzavření ventilu zůstal spalovací prostor utěsněn. Je tepelně a mechanicky vysoce namáhaný. Existuje několik typů talířů (viz Obr. 4) Obr. 4 Typy talířů ventilů [1] Tulipánový a plochý talíř se využívá pro sací ventily, vypuklý nebo chlazený sodíkem se používá pro více tepelně namáhané výfukové ventily. Průměr talíře ventilu se vyrábí o něco menší než průměr sedla ventilu, aby nedocházelo k jeho vytloukání. Další částí ventilu je dřík. Dřík je válcový, jeho délka je rozhodující pro vedení a pevnost v tlaku. Přechod mezi hlavou ventilu a dříkem musí být plynulý pro zmenšení koncentrace napětí. Na konci dříku jsou umístěny opěrné talířky pružin, které se musí zajistit proti BRNO 2015 12

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ posunutí. U rozvodu OHV je to většinou provedeno dvoudílným kuželovým klínem, který se usadí do drážky na konci dříku. Toto zajištění se může uplatnit i u rozvodu OHC, nebo se použije talířek zašroubovaný do ventilu, který má na spodní ploše čelní zuby, do nichž zapadají zuby opěrné misky pružin zajištěné proti otočení drážkami v dříku. Čela dříku ventilu jsou kvůli opotřebení upravená na vyšší tvrdost, nebo překrytá kalenou miskou. Na ventily se používají legované či žáruvzdorné oceli. Výroba probíhá převážně kováním. 1.2.2 VENTILOVÁ SEDLA Sedlo tvoří dosedací plochu ventilu, odvádí z něj teplo a společně těsní spalovací prostor. Pro lepší odvod tepla jsou výhodnější širší sedla, naopak pro lepší těsnění se lépe hodí sedla užší. Vrcholový úhel sedla se vyrábí o něco menší než úhel hlavy ventilu, tím se zajistí dobré přizpůsobení dosedací plochy sedla. Lepšího proudění plynů docílíme vytvořením pomocného kužele pod sedlem ventilu. Pokud je hlava litinová, sedla ventilu se vyrábějí přímo v hlavě, pokud je hlava vyrobena z lehkých slitin, musíme použít sedla lisovaná nebo šroubovaná. Tím dojde ke zhoršení přestupu tepla mezi sedlem a hlavou. U lisovaných sedel se používají k zajištění drážky, nebo se vytvoří sražená hrana sedla, která se zaválcuje. Šroubovaná sedla se zajistí zatemováním hrany hlavy. Obr. 5 Úhly sedla ventilů [6] Na výrobu sedel se používá perlitická litina, rychlořezná ocel nebo kompositní materiály. 1.2.3 VEDENÍ VENTILU Vedení je důležité pro správné středění, odvádění tepla z dříku a samotný chod ventilu. Jeho délka a umístění jsou velice důležité pro samotný návrh průměru sacích a výfukových kanálů. Při prodlužování vedení se zvětšuje výška motoru a hmotnost pohybujících se součástí, při jeho snižování se naopak zmenšují kanály, což může mít negativní vliv na funkci motoru. Vedení se dá vytvořit přímo v hlavě válce, ale vlivem opotřebení dochází ke zvětšení vůle mezi dříkem a ventilem, kterou nelze, nebo lze jen obtížně opravit. Proto se do dnešních motorů lisují vodící pouzdra, tzv. vodítka, která jdou poměrně jednoduše vyměnit a mají lepší kluzné vlastnosti, avšak na úkor přenosu tepla. U vodítka je možné také vytvořit plochu, o BRNO 2015 13

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ kterou se opírá přítlačná pružina ventilu a nedochází k otlačení dosedací plochy. Pro prodloužení vedení lze vodítko prodloužit blíže k hlavě, musí se ale zvětšit vůle mezi ventilem a dříkem, protože by zde vlivem teploty docházelo k uváznutí ventilu. Při provozu je potřeba zajistit, aby olej mazající dříky ventilů nestékal do vedení ventilů a nedocházelo k jeho zapékání. Obr. 6 Vodítka ventilů [1] Pro vedení se používají kluzné materiály, jako je perlitická litina, bronzy, nebo další speciální slitiny. 1.2.4 VENTILOVÉ PRUŽINY Pružiny ventilů zajišťují jejich vratný pohyb do výchozí polohy, jejich správnou dosedací schopnost a těsnost. U současných motorů se využívají vinuté pružiny. Pružina má tzv. činné závity a závěrné závity. Závěrné závity zajišťují dosednutí pružiny po celém jejím obvodu. Každá válcová pružina má vlastní kmitací frekvenci, kterou je potřeba v provozu eliminovat, aby nedocházelo k odskakování ventilů. Tento problém lze minimalizovat pružinou s proměnným stoupáním nebo pružinou kuželovou. Ke zvýšení bezpečnosti je možné také použít dvě pružiny zasunuté do sebe s opačným stoupáním závitu. Rozdílná kmitací frekvence každé pružiny snižuje rezonanci rozvodového ústrojí. Obr. 7 Nejběžnější provedení ventilových pružin [7] Na pružiny se používají legované materiály třídy 13, 14, 15 dle normy ČSN. BRNO 2015 14

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ 1.2.5 VAHADLA Vahadla se používají u rozvodu OHV, lze je však použít i u rozvodu OHC, kde se odstraní třecí síly čelem dříku ventilu a vačkovým hřídelem. Vahadla existují jednoramenná a dvouramenná, která jsou více používaná. Obr. 8 Dvouramenné vahadlo[8] U víceventilových rozvodů lze použít jedno vahadlo na více ventilů, čímž se zjednoduší vačkový hřídel. Dvouramenná vahadla v sobě mívají zalisovaná pouzdra z lépe kluzného materiálu. Jsou většinou mazána olejem. Uložení je na společném čepu, který je našroubován na hlavě motoru. Axiálně bývají zajištěna pružinou. Poměr délek od čepu nám udává převodní vztah mezi zdvihem ventilu a zdvihem od vačkového hřídele. U kulové styčné plochy je nejčastěji umístěn šroub, kterým je možné seřídit správnou vůli ventilů. Vahadla se vyrábějí jako výkovky nebo odlitky. Styčné plochy mívají zvýšenou tvrdost a jsou vyleštěny. 1.2.6 ROZVODOVÉ TYČKY Používají se výhradně u rozvodu OHV, přenášejí pohyb mezi vačkovým hřídelem a vahadlem. Tato vzdálenost je poměrně velká, proto se z důvodu velkých setrvačných sil tyčky vyrábí co nejlehčí. Tyčka musí přenést veškerou sílu potřebnou ke zdvihu ventilu, proto musí dobře odolávat zatížení na tlak. Dnes se nejčastěji používá tyčka trubková, která vyhovuje požadavkům na vzpěrnou stabilitu a má zároveň nízkou hmotnost. U zakončení se většinou vytváří kulové plochy, čímž se eliminují přenosy bočních sil. Materiálem rozvodových tyček je převážně ocel, ale mohou být vyrobeny i ze slitin hliníku. Kulové plochy jsou leštěny a kaleny. 1.2.7 ZDVIHÁTKA Vlivem tření mezi vačkovým hřídelem a na něm následujícím prvkem vznikají tečné třecí síly, které je potřeba zachytit, aby na tyčky ventilového rozvodu působila jen osová síla. Tuto úlohu nám plní tzv. zdvihátka. Zdvihátka konstruujeme co nejlehčí, s ohledem na setrvačné síly při jejich vratném pohybu. Máme několik základních typů zdvihátek, viz. Obr. 9: BRNO 2015 15

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ Obr. 9 Základní typy zdvihátek [1] Hrníčková zdvihátka 1; Stopková zdvihátka 2; Kladka - 3 Hrníčková zdvihátka mají malou hmotnost a poměrně velký průměr napomáhající jejich uložení, které přenáší radiální sílu. Stopková zdvihátka jsou výrobně velmi jednoduchá a lze je jednoduše doplnit seřizováním ventilové vůle. Styčná plocha u zdvihátek může být rovinná, sférická, anebo tvořená kladkou. U rovinné plochy dochází k přímkovému styku, při vyosení zdvihátka dochází k jeho pootáčení a tím k jeho rovnoměrnému opotřebení. Sférická plocha má bodový styk s vačkovým hřídelem, při kterém jsou kladeny vyšší požadavky na materiály; lze však použít s vačkou mající po délce proměnný profil. Toto ústrojí je možné regulovat. Při vhodném úhlu zkosení vačky dochází k pootáčení zdvihátka a tím k jeho rovnoměrnému opotřebení. Zdvihátka s kladkou snižují třecí odpor mezi vačkou a zdvihátkem, a tak snižují příkon rozvodu, jsou ale výrobně složitá. Tyčky a zdvihátka jsou spojeny pomocí kulových ploch. Poloměr koule se vždy vyrábí s menším průměrem a střed kulového vybrání je posunut oproti středu koule. Na výrobu zdvihátek se používá převážně litina či ocel. Stykové plochy se vytvrzují nebo cementují. 1.2.8 VAČKOVÝ HŘÍDEL Hřídel se skládá z více částí. Vačkový hřídel přeměňuje rotační pohyb na posuvný, toto zajišťuje tzv. vačka. Další částí jsou čepy ložisek, na kterých je hřídel uložen, spojovací úseky a konec vačkového hřídele sloužící k připevnění hnaného kola rozvodového ústrojí. Pro odlehčení se může vyrábět hřídel dutý, otvor pak lze použít pro rozvod oleje k ložiskům a vačkám. BRNO 2015 16

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ Umístění vačkového hřídele závisí na typu rozvodového ústrojí. U rozvodu OHV bývá umístěn v klikové skříni nebo v bloku válců. U rozvodu OHC je umístěn v nálitcích hlavy válců nebo na vlastních konzolách. Obr. 10 Vačkový hřídel [9] Na tvaru vačky závisí všechny další odvozené pohyby rozvodového ústrojí. Vačku tvoří základní kružnice a vrcholová kružnice. Průměr kružnic a spojující křivka ovlivňují průběh zdvihu zdvihátka. Můžeme ji dle typu rozdělit na několik druhů: harmonická, tangenciální, s vydutými boky. Tyto typy však v prvních a převážně druhých derivacích vykazují velké výkyvy zdvihové křivky a v praxi je dobré navrhovat vačku dle požadovaného zrychlení zdvihátka či analytického vyjádření zdvihové křivky. Výroba vačkových hřídelí se provádí kováním a následným broušením funkčních ploch. Jako materiály se používají oceli třídy 12-16 dle normy ČSN. Jsou výrobně velice náročné, proto se někdy vyrábějí jako dělené. 1.2.9 POHON VAČKOVÉHO HŘÍDELE Přenos pohybu mezi klikovou a vačkovou hřídelí lze provést několika způsoby. Ty nejznámější jsou: čelními ozubenými koly, řetězem, kuželovými nebo šroubovými koly, ozubeným řemenem. Rozdíl u rozvodu OHV/OHC je hlavně ve vzdálenosti jednotlivých hřídelí, což hraje velkou roli při výběru typu pohonu. Pohon čelními ozubenými koly se nejvíce využívá u rozvodu OHV, skládá se ze dvou ozubených kol, kde na klikovém hřídeli je umístěno kolo s polovičním průměrem. Pro snížení hlučnosti se používají kola se šikmým ozubením, nebo hnaná kola z plastu s ocelovým nebo bronzovým nábojem. Pohon řetězem můžeme uplatnit jak u rozvodu OHC, tak i u rozvodu OHV. Jeho výhoda tkví v malé hmotnosti, může překonávat větší vzdálenost s relativně vysokou životností a spolehlivostí. Mezi jeho nevýhody patří zvýšená hlučnost při zvětšení vůlí mezi články řetězu. Řetěz se musí udržovat stále napnutý, buď ručně, nebo automaticky. Napínaní se provádí BRNO 2015 17

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ v nezatížené části řetězu, aby se nezměnilo časování rozvodu. Při chodu řetězu mohou vzniknout vynucené kmity, které je nutno tlumit vodícími lištami apod. Pohon šroubovými či kuželovými koly se využívá hlavně u rozvodu OHC, lze ho použít u rozvodu DOHC (Double Over Head Camschaft). U tohoto rozvodu se musí brát ohled na délky hřídelů a počítat s tepelnou dilatací. U šroubových kol je potřeba dostatečné mazání. Ozubený řemen je velice oblíbený u dnešních moderních automobilových motorů. Umožňuje překonání větších vzdáleností jako řetěz, má velmi malou hmotnost a hlučnost. Stejně jako u řetězu však potřebuje napínání a nelze použít pro vyšší zatížení. 1.3 VENTILOVÝ ROZVOD VZNĚTOVÝCH TRAKTOROVÝCH MOTORŮ U traktorových motorů se klade vysoký důraz na spolehlivost a vysokou výdrž motorů. Zdvihový objem bývá značně vyšší oproti automobilovým motorům, je to z důvodu zajištění velkého točivého momentu, který je využitelný při těžkých pracích. U traktorových motorů se uvádí tzv. převýšení točivého momentu, které udává procentní poměr mezi rozdílem maximálního a jmenovitého momentu k momentu jmenovitému. Tento parametr umožňuje řidiči lépe udržovat motor v konstantních otáčkách bez nutnosti změny převodového stupně. Moderní konstrukce využívá vodou chlazené motory, převážně s rozvodem OHV i OHC, který dostačuje díky menším otáčkám motoru. Pohon vačkového hřídele bývá proveden řetězem nebo přes ozubená kola, která snesou vyšší přetížení než ostatní pohony. Pro lepší plnění motorů se používají čtyři ventily na jeden válec a turbodmychadla. Konstrukce traktorových motorů by neměla být příliš složitá, aby byly snadno opravitelné v terénu. Motor by měl být dostatečně dimenzovaný, v řádech tisíců provozních hodin. Také se u něj musí počítat s občasným přetížením - s ohledem na povahu zemědělských prací. V neposlední řadě musí dnešní motory odpovídat evropským či americkým emisním normám označovaných pro Evropu Stage, pro Ameriku Tier. 1.3.1 VYBRANÉ PŘÍKLADY VENTILOVÝCH ROZVODŮ TRAKTORŮ DEUTZ Mezi největší výrobce traktorových motorů v Evropě patří firma Deutz, tato firma dodává motory nejen do traktorů, ale i do dalších motorových vozidel. Jejich motory jsou převážně řadově uspořádány. V traktorech se nejčastěji objevují motory řady TDC. Jedná se o řadově uspořádaný motor se čtyřmi až šesti válci. Motory mají zdvihový objem od 2900 cm 3 až do 7800 cm 3, výkon se pohybuje v rozsahu 45kW až 291 kw. Tyto motory mají přímé vstřikování Common Rail a splňují emisní normy Stage V. Ventilový rozvod OHV u těchto motorů je poháněn kolem se šikmým ozubením od klikového hřídele. Vačkový hřídel je umístěn v bloku motoru. Může být osazen dvěma nebo čtyřmi ventily na válec. Vymezení vůle ventilů je zabezpečeno pomocí šroubu zajištěného pojistnou maticí. Celý systém rozvodu je mazán tlakově olejem motoru. BRNO 2015 18

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ Obr. 11 Rozvod motoru Deutz [13] PERKINS Dalším známým výrobcem vznětových motorů je anglická firma Perkins. Tato firma vyrábí řadové vodou chlazené motory, které se používají v různých aplikacích, ale i v traktorech. Motory dávají výkon v rozsahu 61 kw až 225 kw. Splňují normy Tier 4 a Stage IV. U motorů Perkins jsou užity dva nebo čtyři ventily na válec. Vačkový hřídel je poháněný ozubenými koly. Obr. 12 Motor Perkins [12] ZETOR Nejznámější českou firmou zabývající se výrobou traktorů je firma Zetor. Zetor v současnosti vyrábí motory se zdvihovým objemem 4156 cm 3 s výkonem 48 kw až 108 kw. Motory BRNO 2015 19

TEORIE ROZVODŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ splňují emisní normy Stage IV. Vačkový hřídel umístěný v bloku motoru je poháněný vloženým ozubeným kolem se šikmým ozubením. Na společné hlavě motoru jsou umístěny kozlíky společného čepu vahadel, na které je pomocí zdvihátek a rozvodových tyček přenášen zdvih od vačkového hřídele. Vymezení vůle je u těchto motorů řešeno pomocí šroubu zajištěného maticí. Obr. 13 Motor Zetor [11] Obr. 14 Rozvod motoru Zetor [14] BRNO 2015 20

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2 VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2.1 KONCEPCE VENTILOVÉHO ROZVODU Má koncepce traktorového ventilového rozvodu vychází hlavně z použití motoru, aby byl snadno opravitelný, dostatečně dimenzovaný a jednoduchý na seřízení. Jelikož se jedná o vznětový motor s maximálními otáčkami 2500 [min -1 ], bude vyhovovat rozvod OHV. Převod z klikového hřídele na vačkový bude řešen ozubenými koly s šikmým ozubením. Zdvihátka budou použita hrníčková s rovinnou stykovou plochou. Pro přenos posuvného pohybu se jako nejlepší řešení jeví trubkové rozvodové tyčky zakončené kulovými plochami, dále dvouramenné vahadlo doplněné šroubem na seřizování vůlí. Uložení bude na společném čepu se sacím vahadlem. Ventil pro sání bude mít plochou hlavu, výfukový ventil bude s vypouklou hlavou. Na ventilech budou připevněny dvě vinuté pružiny zajištěné dvojdílným kuželovým klínkem. Uvažovaná hlava motoru je litinová, proto budou sedla ventilů vytvořena přímo v hlavě motoru. Vedení ventilu zajistí bronzové pouzdro zalisované ve vývrtu v hlavě motoru, opatřené pryžovým stíracím kroužkem. Obr. 15 P-V Model válcové jednotky BRNO 2015 21

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2.1.1 POSTUP VÝPOČTŮ Všechny výpočty jsou provedeny v programu Mathcad. Jednotlivé hodnoty tlaků ve válci spalovacího motoru byly určeny pomocí makra TLAK, které mi dodal vedoucí práce. Hodnoty zdvihu vačky a její zrychlení byly určeny pomocí programu Lotus Engineering Software. Protože se jedná o iterační postup výpočtu, byly všechny hodnoty několikrát vypočítávány a zpětně kontrolovány. Materiálové hodnoty odpovídají materiálům zvoleným v sestavě rozvodu. 2.2 ZADANÉ PARAMETRY POTŘEBNÉ PRO VÝPOČET MOTORU: Jmenovitý výkon dle normy 2000/25/EC 83/114 kw/hp Plnění motoru: turbodmychadlem s mezichladičem Počet válců: 4 Zdvihový objem: V z = 4156 cm 3 Vrtání: Zdvih: D = 105 mm L = 120 mm Jmenovité otáčky: n j = 2200 min -1 Maximální přeběhové otáčky: n max = 2500 min -1 Kompresní poměr: 17 Pořadí vstřiku: 1-3-4-2 Počet ventilů na válec: 2 Max. točivý moment: M kmax = 450,3 Nm Převýšení točivého momentu dle ECE R24: 37 % 2.3 VÝPOČTY 2.3.1 NÁVRH ROZMĚRŮ SEDEL A VENTILŮ Rozměry ventilů byly zvoleny z tabulek na str. 349 [3]. Pro oba ventily byl zvolen stejný úhel sedla BRNO 2015 22

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Obr. 16 Návrhové průměry ventilů [3] Obr. 17 Průměry a úhly ventilu [2] SACÍ VENTIL: Vnitřní průměr sedla ventilu byl zvolen dle návrhových koeficientů pro Heronův spalovací prostor a zaokrouhlen na celé číslo: Dle tabulky na str. 331 [3]: Vnější průměr sacího ventilu: Výška hrany talířku: Výška talířku: Průměr dříku ventilu: Poloměr zaoblení dřík - talířek: Zvolený úhel hlavy ventilu: Obr. 18 Model navrhnutého sacího ventilu BRNO 2015 23

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU VÝFUKOVÝ VENTIL: Vnitřní průměr sedla ventilu: Dle tabulky na str. 331 [3]: Vnější průměr výfukového ventilu: Výška hrany talířku: Výška talířku: Průměr dříku ventilu: Poloměr zaoblení dřík - talířek: Obr. 19 Model navrhnutého výfukového ventilu Zvolený úhel hlavy ventilu: 2.3.2 VÝPOČET ZDVIHU VENTILU Vztah pro výpočet zdvihu ventilu vychází z rovnosti průřezu ventilových kanálů a plochy komolého kužele vytvořeného při maximálním otevření ventilu. Plocha sacího kanálu: Obsah komolého kužele při maximálním zdvihu ventilu: Minimální výška zdvihu sacího ventilu vypočítaná dosazením z předchozí rovnice: (1) (2) BRNO 2015 24

Tlak [MPa] VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Obsah výfukového kanálu: (3) Obsah komolého kužele při zdvihu ventilu: (4) Minimální výška zdvihu výfukového ventilu vyjádřená z předchozí rovnice: 2.3.3 SÍLY PŮSOBÍCÍ NA VENTILY Výpočet sil působících na ventily je dán rozdílem tlaků před a za ventilem. Z programu TLAK jsou odečteny jednotlivé tlaky potřebné pro výpočet sil. 14.0 P - V diagram 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 Objem [dm 3 ] Obr. 20 P-V diagram z programu TLAK BRNO 2015 25

zdvih ventilů [mm] VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 12 11 10 zdvih sacího ventilu zdvih výfukového ventilu 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -240-200 -160-120 -80-40 0 40 80 120 160 200 240 úhel natočení klikového hřídele [ ] Obr. 21 Diagram časování z programu TLAK Hodnoty tlaků: Plyn působící na výfukový ventil má největší sílu v době sání. Naopak na sací ventil mají plyny u přeplňovaných motorů největší vliv v době zdvihového výfuku. Rozdíl tlaků před a za ventilem v době sání: Síla na výfukový ventil v době sání: - záporná hodnota síly je důsledkem přeplňování motoru Rozdíl tlaků před a za ventilem v době výfukového zdvihu: (5) (6) (7) BRNO 2015 26

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Síla na sací ventil v době výfukového zdvihu: (8) Síla přepětí pružiny musí splňovat podmínku F 1 < F 0 > F 2, proto volím F 0 = 200 N Setrvačné síly hmotnosti jednotlivých prvků byly určeny z fyzikálních vlastností modelu: Hmotnost ventilu: Hmotnost tyčky: Hmotnost zdvihátka: Hmotnost talířku pružiny: Hmotnost pružin: Moment setrvačnosti vahadla: Délka ramen vahadla ventil: Délka ramen vahadla tyčka: Hmotnost redukovaná do osy ventilu: (9) Hmotnost redukována do osy zdvihátka: (10) BRNO 2015 27

zdvih [mm] zrychlení [mm/ 2 ] VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Zrychlení zdvihátka je určeno dle návrhu vačky z programu Lotus Engineering Software: 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 zdvih rychlost zrychlení 0.015 0.013 0.011 0.009 0.007 0.005 0.003 0.001-0.001-0.003-2 -0.005-65 -55-45 -35-25 -15-5 5 15 25 35 45 55 65 Úhel natočení [ ] Obr. 22 Graf závislosti zdvihu, rychlosti a zrychlení na úhlu natočení Zrychlení zdvihátka při otevření ventilu: Maximální otáčky vačkového hřídele: Maximální zrychlení zdvihátka: (11) Maximální zrychlení ventilu: (12) Maximální setrvačná síla v ose ventilu (13) Maximální setrvačná síla v ose zdvihátka (14) BRNO 2015 28

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2.3.4 SÍLA PRUŽIN Koeficient bezpečnosti pro regulovatelné motory: k p = (1,25 1,6), zvolen k p = 1,6 Zrychlení zdvihátka při plném otevření ventilu Zrychlení ventilu při plném otevření ventilu: (15) Setrvačná síla v ose ventilu při plném otevření: (16) Síla pružiny: (17) Síla vnější pružiny: (18) Síla vnitřní pružiny: (19) 2.3.5 ROZMĚR PRUŽIN Volba středního průměru pružiny: Obr. 23 Základní rozměry pružiny [2] Jako materiál byla zvolena pružinová ocel C85E dle EN 10083-1 τ p = 550 MPa Korekční součinitel zvolen: k k = 1,2 BRNO 2015 29

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Průměr drátu vnější pružiny: (20) Vnější průměr vnitřní pružiny byl zvolen tak, aby byla zachována mezera mezi pružinami minimálně 2 mm, předpokládaný průměr vnitřní pružiny 3 mm. Střední průměr vnitřní pružiny: Průměr drátu vnitřní pružiny: (21) Délka stlačení pružiny z volného stavu: Počet činných závitů vnější pružiny: (22) Počet činných závitů vnitřní pružiny: (23) Počet závěrných závitů zvolen: 2 Celkový počet závitů - vnější pružina: (24) Celkový počet závitů - vnitřní pružina: (25) Vůle mezi závity zvolena u obou pružin: Stoupání závitu vnější pružiny: (26) BRNO 2015 30

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Stoupání závitu vnitřní pružiny: (27) Tuhost vnější pružiny: (28) Tuhost vnitřní pružiny: (29) Frekvence vačkového hřídele: Kontrola rezonančních kmitů: Hmotnost jednoho závitu byla stanovena z modelu pružin: Kruhová rezonanční frekvence vnější pružiny: (30) Kruhová rezonanční frekvence vnitřní pružiny: (31) U obou dvou pružin je splněna podmínka BRNO 2015 31

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2.3.6 KONTROLA VAČKOVÉHO HŘÍDELE Obr. 24 Síly působící na vačkový hřídel [2] Návrh průměru hřídele: Návrh průměru základní kružnice vačky: Návrh šířky vačky: Tlak ve válci v době zdvihu výfukového ventilu: Zrychlení a hmotnost jsou uvažovány stejné jako pro sací ventil, což se projeví vyšší bezpečností rozvodu. Výpočet síly pro uzavřený ventil: Výpočet síly pro otevřený ventil: Koeficient tření určený z tabulek: Třecí síla mezi vačkou a zdvihátkem: Výsledná síla působící na zdvihátko: (32) (33) (34) (35) BRNO 2015 32

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Rameno uvažuji při maximálním zdvihu vačky, Moment zatěžující vačkový hřídel: (36) Smykové napětí v hřídeli: (37) Vzdálenost středu vačky od uložení hřídele: Vzdálenost mezi uloženími sací a výfukové vačky: Osový kvadratický moment: (38) Průhyb hřídele: Poloměr křivosti určený vytvořením tečny ke křivce v modelu vačky při působení síly F z : (39) Měrný tlak mezi zdvihátkem a vačkou: (40) Dovolená hodnota tlaku mezi zdvihátkem a vačkou z oceli je 650 MPa. Tudíž vačka vyhovuje. Obr. 25 Model poloviny vačkového hřídele BRNO 2015 33

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU 2.3.7 VÝPOČET ZDVIHÁTKA Vyosení zdvihátka: (41) Návrh rozměrů zdvihátka: (42) Vzdálenost stykové úsečky od osy zdvihátka při dosažení F Z byla odměřena z modelu vačky: Délka vedení zdvihátka: Maximální moment působící na ohyb zdvihátka: Měrný tlak: Maximální přípustná hodnota měrného tlaku je 10MPa. Zvolené řešení vyhovuje. Obr. 26 Navrhované zdvihátko 2.3.8 ROZVODOVÁ TYČKA Délka tyčky: Vnitřní průměr tyčky: Vnější průměr tyčky: Poloměr kulové koncovky: Poloměr kulového lůžka: BRNO 2015 34

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Setrvačná síla uložení: Obr. 27 Navrhovaná rozvodová tyčka (43) Měrný tlak: (44) Setrvačná síla v uložení vahadla: (45) Měrný tlak mezi zvedací tyčkou a vahadlem: (46) Měrný tlak na kulových plochách konců tyčky by neměl překročit 2000 MPa. Navržené řešení toto splňuje s velkou rezervou. Kontrola dříku tyčky na ztrátu vzpěrné stability: kde: Součinitel n dt by se měl pohybovat v hodnotách 2 5, tuto podmínku tyčka splňuje. (47) (48) 2.3.9 PEVNOSTNÍ VÝPOČET VAHADLA Rozměry: Šířka stykové plochy: Poloměr stykové plochy: b = 10 mm r = 8 mm BRNO 2015 35

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Síla mezi vahadlem a ventilem: (49) Styčný tlak: Styčný tlak mezi ventilem a vahadlem nepřekračuje hodnotu tlaku pro kontakt součástí ocel ocel. Na modelu vahadla jsem určil dva kritické průřezy, které budu kontrolovat na ohyb. (50) Obr. 28 Kritické průřezy vahadla Moduly průřezu vahadla odečteny z 3D modelu součásti. rozměry: modul ohybu v průřezu A: modul ohybu v průřezu A: šířka čepu vahadla: průměr čepu: vnitřní průměr čepu: Momenty v bodech A a B: (51) (52) BRNO 2015 36

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Ohybové napětí v bodech A, B: (53) (54) Velikost sil zatěžující čep: (55) Ohybový moment na čepu: (56) Napětí čepu v ohybu: (57) kde modul průřezu v ohybu je: (58) Smykové napětí čepu vyvolané posouvající silou: (59) Měrný tlak v čepu: Výsledná napětí nedosahují kritických hodnot určených pro namáhání vahadla a jeho čepu. (60) 2.3.10 ZÁKLADNÍ ROZMĚRY OZUBENÝCH KOL Navržené rozměry ozubení: Počet zubů pastorku: Počet zubů spoluzabírajícího kola: Modul ozubení: Návrhová šíře ozubení: (61) BRNO 2015 37

VLASTNÍ NÁVRH VENTILOVÉHO ROZVODU Návrhový úhel natočení: (62) Skutečný úhel natočení: Skutečná šířka ozubení: (63) Tečný modul: (64) Roztečný průměr pastorku: (65) Roztečný průměr spoluzabírajícího kola: (66) Osová vzdálenost kol: (67) Šíře pastorku: (68) Šíře spoluzabírajícího kola: BRNO 2015 38

ZÁVĚR ZÁVĚR V rešeršní části práce jsou stručně shrnuty jednotlivé konstrukční prvky ventilových rozvodů. Jsou zde vyobrazeny a popsány nejpodstatnější prvky, které jsou následně použity pro konstrukci ventilového rozvodu. Popsány jsou zde také parametry traktorových motorů a příklady konstrukčních řešení vybraných výrobců. Při návrhu konstrukce bylo nutné navrhnout základní model soustavy: klikový hřídel, ojnice a píst. Dále bylo třeba určit jednotlivá časování ventilů a následně spočítat hodnoty tlaků ve válci. K modelování soustavy byl použit program SolidWorks 2011, ze kterého jsem určoval a korigoval rozměry jednotlivých částí rozvodu. Program také posloužil k výpočtu hmotností a dalších parametrů. Jako rozvod byl zvolen osvědčený OHV, stále používaný v dnešních motorech. Jeho výhoda spočívá v jeho jednoduchosti na seřízení a snadné výměně dílů. U jednotlivých dílů byla provedena pevnostní kontrola, kterou všechny díly splnily. Traktorové motory obsahují velké množství součástí, které nepatří do ventilového rozvodu. Tyto součásti nebyly v této konstrukci zohledněny, přesto s nimi však konstruktéři musí počítat. Model rozvodu proto není omezen velikostí, umístěním vačkového hřídele, mazáním atd. Výpočty jsou provedeny pouze elementární. Pro reálný rozvod by bylo třeba zhodnotit mnoho dalších faktorů jako je teplota, druh maziva, kmitání rozvodu atd. BRNO 2015 39

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] KOVAŘÍK, L., FERENCEY, V., SKALSKÝ, R., ČÁSTEK, L. Konstrukce vozidlových spalovacích motorů. Naše vojsko, První vydání, Praha, 1992. ISBN 80-206- 0131-7. [2] RAUSCHER, J., Ročníkový projekt, Studijní opory VUT v Brně, 2005. [3] KOŽOUŠEK, J. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů II. SNTL - Nakladatelství technické literatury, První vydání, Praha 1983, 488 s. [4] KOŠŤÁL, J., SUK, B. Pístové spalovací motory. Nakladatelství Československé akademie věd, První vydání, Praha, 1963. [5] LEINVEBER, J., VÁVRA, P., Strojnické tabulky. Pedagogické nakladatelství ALBRA, Třetí doplněné vydání, Úvaly, 2006. ISBN 80-7361-033-7 [6] Vačkový hřídel, ventily. Kotamuda [online]. [2007] [cit. 2014-04-21]. Dostupné z: http://kotamuda.humlak.cz/navody_manualy/127/htm/htm2/motor/vackovy.htm [7] Teorie motoru 5. - ŠKODA techweb: vše o Škodovkách. ČECH, Jiří. Škoda TECHweb [online]. 18. května 2004 [cit. 2014-03-15]. Dostupné z: http://skoda.panda.cz/clanek.php3?id=433 [8] Vahadlo ventilu Zongshen 155: Pitbike Shop. Pitbike Shop: epitbike [online]. [cit. 2014-05-28]. Dostupné z: http://www.epitbike.cz/1266-vahadlo-ventilu-zongshen- 155.html [9] Vysoká motorářská: Koenigsegg chce skoncovat s vačkami: - idnes.cz. VOKÁČ, Luděk. Auto idnes.cz: Vše o autech [online]. 23. dubna 2012 [cit. 2014-05-28]. Dostupné z: http://auto.idnes.cz/koenigsegg-bude-mit-motor-bez-vacek-a-pruzin-pro-ovladaniventilu-py8-/automoto.aspx?c=a120412_224543_automoto_vok [10] Motory: PRINCIP ČINNOSTI AUTOMOBILOVÝCH MOTORŮ. PATERA, Zdeněk, Bc. Ing. AUTA 5P: Automobilová encyklopedie [online]. [cit. 2014-05-28]. Dostupné z: http://auta5p.eu/informace/motory/motory.php [11] Motor Zetor Z 1405. ZETOR TRACTORS a.s.: traktory Zetor, motory, servis a originální náhradní díly [online]. [2009] [cit. 2014-05-28]. Dostupné z: http://www.zetor.cz/motor-zetor-z-1405 [12] Perkins Diesel Engines & Powerpart Parts: Product. Perkins Engines: The Heart of Every Great Machine [online]. [cit. 2014-05-28]. Dostupné z: http://www.perkins.com/products/800series [13] TCD 2011 DEUTZ UK. TCD 2011 DEUTZ UK [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.deutzuk.co.uk/tcd2011/ [14].:KATALOGY:. Agroservis Opava Hlučín prodej zemědělské techniky [online]. 2011 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.agroservishlucin.cz/proxima_power_%2085_115/menu.html BRNO 2015 40

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ a [mm] osová vzdálenost a v [m/s 2 ] zrychlení ventilu a z [m/s 2 ] zrychlení zdvihátka a z( ) [mm/ 2 ] zrychlení zdvihátka v závislosti na úhlu b [mm] šířka vahadla b [mm] skutečná šíře ozubení b 1 [mm] šíře pastorku b 2 [mm] šíře spoluzabírajícího kola b b [mm] šířka čepu vahadla b n [mm] návrhová šíře ozubení b v [mm] šířka vačky D [mm] vrtání D 0 [mm] průměr základní kružnice vačky d 1 [mm] roztečný průměr pastorku d 1s [mm] vnější průměr sacího ventilu d 1v [mm] vnější průměr výfukového ventilu d 2 [mm] roztečný průměr spoluzabírajícího kola d 2vac [mm] průměr hřídele vačky d c [mm] průměr čepu vahadla D c [mm] vnitřní průměr čepu vahadla d ds [mm] průměr dříku sacího ventilu D p(vne) [mm] průměr vnější pružiny D s [mm] průměr sedla sacího ventilu D tvne [mm] vnější průměr tyčky BRNO 2015 41

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ D tvnit [mm] vnitřní průměr tyčky D v [mm] průměr sedla výfukového ventilu d vne [mm]] průměr drátu vnější pružiny d vni [mm] průměr drátu vnitřní pružiny D z [mm] průměr zdvihátka e [mm] vyosení zdvihátka F z [N] setrvačná síla F 0 [N] Přepětí pružiny F 1 [N] síla na výfukový ventil při sání F 2 [N]] síla na sací ventil při výfuku F a(v) [N] maximální síla v ose ventilu F a(z) [N] maximální síla v ose zdvihátka F H [N] celková síla na zdvihátko f max [mm] délka stlačení pružiny z volného stavu F N [N] třecí síla mezi vačkou a zdvihátkem F pm1 [N] síla vnější pružiny F pm2 [N] síla vnitřní pružiny F pp [N] síla pružin F v [N] síla mezi vahadlem a ventilem F z [N] setrvačná síla v uložení vahadla F zo [N] síla na vačku při plně otevřeném ventilu F zu [N] síla na vačku při otevírání ventilu h 1s [mm] výška hrany sacího talířku h 1v [mm] výška hrany výfukového ventilu h vs [mm] výška zdvihu sacího ventilu BRNO 2015 42

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ h vv [mm] výška zdvihu výfukového ventilu I [mm 4 ] kvadratický moment vačky i pvne [-] počet činných závitů vnější pružiny i pvni [-] počet činných závitů vnitřní pružiny I t [mm 4 ] kvadratický moment v průřezu tyčky I v [kg/mm 2 ] moment setrvačnosti vahadla i vne [-] celkový počet závitů vnější pružiny i vni [-] celkový počet závitů vnitřní pružiny k k [-] korekční součinitel k p [-] bezpečnost přetížení pružiny K pvne [N/mm] tuhost vnější pružiny K pvni [N/mm] tuhost vnitřní pružiny L [mm] zdvih l t [mm] délka tyčky l v [mm] délka vahadla - ventil l z [mm] délka vahadla - tyčka L z [mm] délka vedení zdvihátka M [N.m] moment působící na ohyb zdvihátka m [mm] modul ozubení M va [N.m] moment v bodě A M vb [N.m] moment v bodě B M c [N.m] ohybový moment na čepu M k [N.m] kroutící moment vačky M kmax [N.M] maximální točivý moment m p [g] hmotnost pružin BRNO 2015 43

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ m pvne [g] hmotnost jednoho závitu vnější pružiny m pvni [g] hmotnost jednoho závitu vnitřní pružiny m roz(v) [g] hmotnost redukovaná do osy ventilu m roz(z) [g] hmotnost redukovaná do osy zdvihátka m t [mm] tečný modul ozubení m tal [g]] hmotnost talířku pružiny m tyc [g] hmotnost tyčky m v [g] hmotnost ventilu m z [g] hmotnost zdvihátka n dt [-] bezpečnost proti meznímu stavu vzpěru n j [min -1 ] jmenovité otáčky n max [min -1 ] maximální otáčky n v(s) [min -1 ] maximální otáčky vačkového hřídele OE [mm] rameno vačky p [MPa] měrný tlak mezi zvedací tyčkou a zdvihátkem p [MPa] měrný tlak mezi zvedací tyčkou a vahadlem p c [MPa] měrný tlak v čepu p d [MPa] plnící tlak plynů p s [MPa] minimální tlak ve spalovacím prostoru p s [MPa] minimální tlak ve válci při výfuku p v [MPa] tlak plynů ve výfukovém kanále p v [MPa] styčný tlak mezi ventilem a vahadlem p vz [MPa] měrný tlak mezi zdvihátkem a vačkou p zvv [MPa] tlak při zdvihu výfukového ventilu q max [MPa] měrný tlak v uložení zdvihátka BRNO 2015 44

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ r [mm] poloměr stykové plochy R [N] velikost sil na čep r1 [mm] poloměr kulového lůžka r 2 [mm] poloměr kulové koncovky S s [mm 2 ] plocha sacího kanálu S smax [mm 2 ] maximální plocha sacího kanálu S v [mm 2 ] plocha výfukového kanálu S vmax [mm 2 ] maximální plocha výfukového kanálu t [mm] vzdálenost stykové úsečky od osy zdvihátka t s [mm] výška talířku sacího ventilu t v [mm] výška talířku výfukového ventilu t vne [mm] stoupání závitů vnější pružiny t vni [mm] stoupání závitů vnitřní pružiny V z [cm 3 ] zdvihový objem W c [mm 3 ] modul průřezu čepu v ohybu W oa [mm 3 ] modul ohybu v průřezu A W ob [mm 3 ] modul ohybu v průřezu B X A [mm] vzdálenost ventilu o krit. průřezu vahadla X B [mm] vzdálenost tyčky o krit. průřezu vahadla y [mm] průhyb vačkového hřídele Z 1 [-] počet zubů pastorku Z 2 [-] počet zubů spoluzabírajícího kola α s [ ] úhel hlavy sacího ventilu α v [ ] úhel hlavy výfukového ventilu β [ ] skutečný úhel natočení BRNO 2015 45

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ β n [ ] návrhový úhel natočení Δ min [mm] vůle mezi závity pružiny Δp 1 [MPa] rozdíl tlaků před a za výfukovým ventilem Δp 2 [MPa] rozdíl tlaků před a za sacím ventilem ρ 1 [mm] poloměr křivosti vačky ρ s [mm] poloměr zaoblení dřík - talířek ρ v [mm] poloměr zaoblení dřík - talířek σ A [MPa] napětí v ohybu v bodě A σ B [MPa] napětí v ohybu v bodě B σ oc [MPa] napětí čepu v ohybu τ c [MPa] smykové napětí v čepu τ k [MPa] smykové napětí vačky τ p [MPa] dovolené napětí pružiny v krutu 1vne [Hz] kruhová rezonanční frekvence vnější pružiny 1vni [Hz] kruhová rezonanční frekvence vnitřní pružiny v [Hz] frekvence vačkového hřídele BRNO 2015 46

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Válcové a rotační šoupátko... 11 Obr. 2 Nejznámější provedení rozvodů [10]... 11 Obr. 3 Hlavní části a rozměry ventilu [1]... 12 Obr. 4 Typy talířů ventilů... 12 Obr. 5 Úhly sedla ventilů [6]... 13 Obr. 6 Vodítka ventilů [1]... 14 Obr. 7 Nejběžnější provedení ventilových pružin [7]... 14 Obr. 8 Dvouramenné vahadlo[8]... 15 Obr. 9 Základní typy zdvihátek [1]... 16 Obr. 10 Vačkový hřídel [9]... 17 Obr. 11 Rozvod motoru Deutz [13]... 19 Obr. 12 Motor Perkins [12]... 19 Obr. 13 Motor Zetor [11]... 20 Obr. 14 Rozvod motoru Zetor [14]... 20 Obr. 15 P-V Model válcové jednotky... 21 Obr. 16 Návrhové průměry ventilů [3]... 23 Obr. 17 Průměry a úhly ventilu [2]... 23 Obr. 18 Model navrhnutého sacího ventilu... 23 Obr. 19 Model navrhnutého výfukového ventilu... 24 Obr. 20 P-V diagram z programu TLAK... 25 Obr. 21 Diagram časování z programu TLAK... 26 Obr. 22 Graf závislosti zdvihu, rychlosti a zrychlení na úhlu natočení... 28 Obr. 23 Základní rozměry pružiny [2]... 29 Obr. 24 Síly působící na vačkový hřídel [2]... 32 Obr. 25 Model poloviny vačkového hřídele... 33 Obr. 26 Navrhované zdvihátko... 34 Obr. 27 Navrhovaná rozvodová tyčka... 35 Obr. 28 Kritické průřezy vahadla... 36 BRNO 2015 47

SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH Výkres sestavy Výkres vačkového hřídele Výkres sacího ventilu Výkres vahadla BRNO 2015 48