TECHNOLOGIE VÝROBY A NÁVRH PŘEPOUŠTĚCÍCH KANÁLŮ VE VÁLCI MALOOBJEMOVÉHO MOTOCYKLU SVOČ 2013 Milan Daňa Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tato práce se zabývá úpravou válce motocyklu Jawa 50 Pionýr, který se v současné době dostal do podvědomí široké veřejnosti především tím, že se na těchto motocyklech začali opět jezdit závody. Na začátku této práce bylo zapotřebí zmapovat současný stav válce a přepouštěcích kanálů a poté vytvořit 3D model válce. Následně se práce zabývá konstrukčním návrhem přepouštěcích kanálů v hliníkové části válce. Z návrhů jsou vybrány nejvhodnější, které budou vyrobeny. Poté se práce ubírá směrem digitalizace již vyrobených přepouštěcích kanálů, které se používají pro závodní účely. Pro zjištění složení materiálu válce a jeho vlastností, které je potřeba znát pro samotné obrábění, je nutné udělat materiálový výbrus. Závěr práce je věnován tvorbě konstrukčních variant upínacího přípravku. Cílem této práce je zvýšení výkonových parametrů výše uvedeného typu motocyklu, aby byl konkurence schopný při závodech. KLÍČOVÁ SLOVA Jawa 50 Pionýr, válec, přepouštěcí kanály, vratné vyplachování, modelování, digitalizace, upínací přípravek ÚVOD Před více než 45 lety se začal vyrábět maloobjemový motocykl Jawa 50 Pionýr v Povážských strojírnách na Slovensku. Původní motocykl byl zkonstruován pro běžné a každodenní použíti, především aby byl dostupný pro širokou veřejnost. V letech, kdy byly pionýři na svém vrcholu, jezdily se na těchto strojích závody do 50ccm, jak v terénu, tak i na silnici. Asi po 10 ti letech byly tyto stroje pro závody už neatraktivní a překonaly je novější motocykly. Nyní se opět skoro po 25 ti letech obnovila tradice závodů na těchto strojích. To bylo podnětem pro tuto práci. Výkon, kterým disponuje válec tohoto dvoutaktního motocyklu, byl změřen na motorové brzdě 3,5 koňské síly. Tento výkon byl pro běžný provoz naprosto dostačující, ale pro závody to bylo velice málo. Proto nastala otázka: jak nejefektivněji a nejjednodušeji zvednout výkon? Každý, kdo se pohybuje v tomto odvětví, tak ví, že na výkon má vliv především motorový válec a výfuk. Proto se tato práce bude zabývat úpravou motorového válce. Zaměří se pouze přepouštěcími kanály, protože ostatní kanály ve válci (sací a výfukový) nejsou tak náročné na složitost výroby, souměrnost a dodržení geometrické přesnosti. 1
PŘEPOUŠTĚCÍ KANÁLY Obr. 1 Jawa 50 Pionýr typ 23 Mustang [W1] Přepouštěcí kanály slouží k vedení a správnému nasměrování čerstvé směsi z klikové skříně do pracovního prostoru válce. Tvar, rozmístění a velikost přepouštěcích kanálů má zásadní vliv na vyplachování, které je pro každý dvoudobý motor naprosto klíčový, což se odráží ve výkonu. Při správné úpravě přepouštěcích kanálů a tím zlepšení vyplachování lze dosáhnout velkého nárůstu výkonu. U dvoudobých motorů se používá tří základních druhů vyplachování válce, které jsou příčné, vratné a souproudé [1],[4] Vratné vyplachování se používá u většiny dvoudobých motorů, protože je konstrukčně poměrně jednoduché a především nejúčinnější způsob vyplachování, který byl do dnešní doby vynalezen. Název vratné vyplachování je odvozeno od pohybu směsi v pracovním prostoru válce. Zjednodušený princip: Z přepouštěcích kanálů vstupuje čerstvá směs do pracovního prostoru pod správným úhlem, která je následně stlačena pístem a po zapálení směsi a expanzi plynů odchází pryč z pracovního prostoru válce do výfukového systému. Princip vratného vyplachování je evidentní z obrázku 2. Obr. 2 Princip vratného vyplachování [3] Tvar a velikost přepouštěcích kanálů od svého vynalezení prošel mnoha úpravami a změnami. Nejprve byly úpravy díky vývoji možností obrábění, ale v poslední době především kvůli rozvoji výpočetní techniky a programů, které slouží pro simulaci proudění. Tyto programy jsou velmi nákladné a vytvoření simulace proudění směsi v přepouštěcích kanálech je velice složité a je třeba znát mnoho konstant, které jsou pro proudění klíčové. 2
Díky takovéto náročnosti si mohou dovolit se simulacemi zabývat především velké firmy, které vyrábí závodní motocykly např. KTM, HONDA,KAVASAKI atd. SOUČASNÝ STAV VÁLCE Obr. 3 Srovnání nasměrování přepouštěcích kanálů vlivem vývoje [2] Válec se skládá ze dvou základních částí, z hliníkového tlakového odlitku tělesa válce a litinové vložky. Litinová vložka je v tělese válce nalisována, což zajištuje polohu a dostatečný přestup tepla při chodu motoru. Válec byl navržen ve dvoukanálovém provedení, pro jednoduchost výroby, následnou bezproblémovost a hlavně pro snadné nastavení motoru pro běžný provoz. V tělese válce byly vyrobeny, během produkce motocyklů, dva druhy přepouštěcích kanálů. První tvar přepouštěcího kanálu typu 05 je vidět na obrázku 5. Tento kanál je charakteristický větším zúžením a tím pádem větším stlačením směsi, ale především svým výstupkem na konci kanálu. Typ 21 má vstup přepouštěcích kanálů stejný jako typ 05, ale zúžení není tak velké a nemá výstupek a tím je vetší okno přepouštěcího kanálu ve vložce válce jak je vidět na obrázku 4. Obr. 4 Pohled na válec s vložkou Obr. 5 Tvar přepouštěcího kanálu typu 05 3
MODELOVÁNÍ Pro vytvoření 3D modelu válce byl zvolen počítačový program Autodesk Inventor Professional 2011. Nejprve bylo zapotřebí změřit veškeré potřebné rozměry pro přesné vymodelování válce, proto byl v halové laboratoři rozřezán starý poškozený válec. Válec byl rozřezán na 6 částí pro dostatečně jednoduché proměření, Jak je vidět na obrázku 6. Modelování tělesa válce bylo rozděleno do dvou částí a to na vymodelování samotného tělesa válce a poté vymodelování negativu přepouštěcích kanálů. Toto oddělené modelování bylo zvoleno z důvodu složitosti obou jmenovaných částí, které jsou opravdu velice tvarově rozmanité. Po vymodelování obou částí byl negativ přepouštěcích kanálů obtisknut do tělesa válce a tímto vznikl válec s tvarem přepouštěcích kanálů, jak je vidět na obrázku 7. Obr. 6 Rozřezaný Válec typu 21 Obr. 7 Válec s kanály typu 21 NÁVRH VHODNÝCH PŘEPOUŠTĚCÍCH KANÁLŮ Při návrhu vhodného tvaru přepouštěcích kanálů bylo dbáno na to, aby se přepouštěcí kanály vešli do sériového odlitku válce. Tento předpoklad je velice limitující. Při pohledu do novodobých závodních válců, bylo zřejmé, že takovéto tvary by bylo velice těžké implementovat do tohoto odlitku. Proto na návrhu vhodného tvaru přepouštěcích kanálů bylo spolupracováno s dvěma úpravci dvoutaktních motorů, kteří mají více jak 20 ti letou zkušenost s úpravami motorů. V dnešní době jezdí motory od těchto úpravců na předních pozicích v motocrossu české republiky ve třídách 85ccm a 125ccm. Byly navrženy dva vstupní tvary dvoukanálového provedení přepouštěcích kanálů, z kterých bylo zapotřebí vybrat vhodnější. 4
Obr. 8 Tvar vstupu kanálu 1 Obr. 9 Tvar vstupu kanálu 2 Obr. 10 Úprava tvaru Pro výběr vhodnější varianty bylo zapotřebí konzultace s odborníky. Nezávisle na sobě vybrali shodně tvar 2 a doporučili úpravy pro zlepšení: zvednutí spodního výstupního úhlu, který byl zvednut o 5 a celkový tvar byl roztažen o 1mm směrem nahoru. Jak je vidět na obrázku 10. Nyní bylo zapotřebí vymodelovat celý 3D model přepouštěcích kanálů. Kanály se mírně zužují a spodní strana kanálů se lehce zvedá směrem vzhůru cca o 1,5mm. Následné obtisknutí kanálů do tělesa válce, viz obrázek 13. Obr. 11 Kanál zvedání spodní strany Obr. 12 Výstupní zaoblení kanálu Obr. 13 Obtisknutí přepouštěcích kanálů 5
ČTYŘ KANÁLOVÉ PROVEDENÍ Pro zvýšení účinnosti vyplachování bylo navrženo čtyř kanálové provedení přepouštěcích kanálů. Tento způsob vyplachování zapříčinil zvýšení objemu přepouštěné směsi, ale především měl za následek dva oddělené proudy vstupující do pracovního prostoru válce, které mohou být nasměrovány pod jinými úhly. Tímto může být docíleno vhodnějšího vyplachování, ale vždy to tak není. Při špatném nasměrování proudů směsi může být vyplachování horší než při použití dvou kanálového provedení. Z důvodů špatně zvolené polohy svorníků válce, kdy nebyla předpokládána možnost další úpravy tohoto válce, je čtyř kanálové provedení velice omezené. Díky tomuto omezení bylo potřeba vytvořit vhodný tvar přepouštěcích kanálů, který by byl možný vytvořit do originálního odlitku. Po konzultaci s úpravci bylo doporučeno vytvořit přepouštěcí kanály bez ohledu na stávající sériové, které jsou ve válci předlity. Stávající kanály se zavaří metodou TIG a frézování kanálů bude začínat do tělesa válce bez přepouštěcích kanálů. Tento předpoklad hodně ovlivnil konstrukci kanálů. Bylo částečně použito směrování směsi z novodobých válců, které slouží pro závodní účely. Hlavní charakteristický znak novodobých válců jsou rozšiřující se přepouštěcí kanály, které jsou ve tvaru na sebe navazujících rádiusů, jak je vidět na obr. 14. Spodní úhel výstupu do pracovního prostoru válce byl konstruován nad osu válce, jak je vidět na obr. 15. Výstupní úhel, jenž je vidět na obr. 3 u pravého kanálu, je opravdu velmi důležitý, proto byl po konzultaci zvolen úhel spodního kanálu 5 a horního kanálu 12. Obr. 14 Pohled na 4K zespoda Obr. 15 Pohled na 4K zepředu Obr. 16 Pohled na 4K z boku Obr. 17 Čtyř kanálové provedení 6
DIGITALIZACE Digitalizace zahrnuje nasnímání prostorových souřadnic objektu, zpracování naměřených dat a jejich převod na plošnou nebo objemovou interpretaci v podobě digitálního modelu objektu, s nímž lze dále pracovat v CAD/CAM systému. Digitalizace je disciplínou z oboru reverzního inženýrství. Klasický proces výroby strojních součástí začíná konstrukcí například CAD modelu, poté následuje navržení technologie pro NC obráběcí centrum a vyrobení požadované součásti. Reverzní inženýrství (Reverse Engineering) naproti tomu zahrnuje procesy, při nichž dochází k vytvoření technické dokumentace z již vytvořeného fyzického objektu. Postup kroků je otočen vůči klasické výrobě a obrábění na NC stroji je nahrazeno digitalizací objektu. [5] Nejprve proběhlo zkušební měření, z kterého jsou naměřená data ve formě křivek, jenž můžete vidět na obrázcích 18 až 20. Na obr. 20 je vidět, jak tvar křivky může zdegenerovat při naměření jednoho špatného bodu křivky, proto bylo rozhodnuto, že výstupní data budou ve formě bodů. Body mají vetší vypovídající hodnotu. Při prokládání křivky body je možno špatně změřený bod vynechat a tím docílit vetší přesnosti změřeného tvaru. Obr. 18 Výstupní data 3D Obr. 19 Křivky 3D Obr. 20 Nedostatky křivky UPÍNACÍ PŘÍPRAVEK Při konstrukci upínacího přípravku bylo dbáno na jednoduchost výroby a snadné upínání a vyjímání válce z přípravku. Bylo přihlédnuto k tuhosti upnutí. Přípravek byl konstruován s ohledem na dostupnost polotovarů pro jeho výrobu a také cenu použitých materiálů a technologií výroby. Byly vytvořeny dvě varianty upínacího přípravku. První přípravek je konstruován s upínáním realizovaným pomocí rozpínacích kolíků. Upínací přípravek se skládá z 10 dílů: základní části, středícího čepu, čtyř rozpínacích kolíků a čtyř šroubů M4x20 se zápustnou hlavou. Základní část je realizována z válcového polotovaru, z důvodů snadnější dostupnosti materiálu. V základní části je vyvrtáno 5 otvorů, z nichž jeden slouží pro nalisování středícího čepu a zbylé jsou určeny pro rozpínací kolíky. Zajištění polohy je realizováno středícím čepem, který bude přesně broušený, podle díry válce ve která slouží pro nalisování litinové vložky. Rozpínací kolíky jsou do základní části nalisovány. V kolících je závit M4 do hloubky 25mm. Z horní strany je kolík rozříznut do hloubky 8mm. Šrouby M4x20 mají upravenou hlavu šroubu, aby šroubek prošel dírou pro svorníky ve válci. Při nasazení válce do přípravku jsou rozpínací kolíky s nedotaženými šrouby v dírách pro svorníky. Pro vyvození upínací síly je třeba šrouby utáhnout, tím se roztáhnout rozříznuté části kolíků a válec je pevně upevněn v přípravku. Přípravek bude upnut do svěráku frézky za vyfrézované drážky ve válcové základní části přípravku. Viz obrázky 21 až 23. 7
Obr. 21 roztažný kolík Obr. 22 Sestava přípravku Obr. 23 Válec v přípravku Druhý přípravek byl konstruován s jiným upínacím elementem, než bylo použito v prvním případě. Přípravek se skládá ze základní desky, kolíku 8x50mm, rozpěrného elementu, vtlačovacího kuželu a šroubu M12x40. V základní desce jsou dvě díry a vyfrézované osazení, které slouží k upnutí přípravku do čelistí svěráku frézky. První díra slouží pro nalisování středícího kolíku, který má zajistit polohu. Při využití tohoto středění je zapotřebí vyvrtat a následně vystružit část jedné díry pro svorníky na velikost 8mm z původních 6,5mm. Druhá díra průměru 30mm slouží pro nalisování upínacího elementu v kterém je průchozí díra se závitem M12 a horní část, která slouží k upínání je rozříznutá do kříže a je uvnitř vytvořen kužel. Další částí přípravku je vtlačovací kužel, který je provrtán a do kuželu je vložen šroub M12x40, který se vloží do upínacího elementu. Upínací síla je vyvozena utahováním šroubu, který vtlačuje kužel do upínacího elementu, jenž se roztahuje. Obr. 24 Rozpěrný element Obr. 25 Sestava přípravku 2 8
ZÁVĚR Předpoklad zvýšení výkonu u dvoukanálové verze je dvojnásobek výkonu a u čtyř -kanálového provedení je předpoklad dva a půl až trojnásobek oproti sériově vyráběnému válci. Při vhodně zvoleném tvaru a časování výfuku a celého výfukového potrubí. Po vyrobení válců a následnému vyrobení vložky válce bude výkon obou válců změřen na motorové brzdě, v laboratořích Pardubické Univerzity ve spolupráci s bc. Vojtěchem Štumrem, kde by se měl předpoklad potvrdit. Cílem této práce bylo zvýšení výkonových parametrů výše uvedeného typu motocyklu, aby byl konkurence schopný při závodech. PODĚKOVÁNÍ Mé poděkování patří především mé vedoucí Bakalářské práce inženýrce Ivaně Česákové, která mi při vypracovávání mé Bakalářské práce věnuje mnoho času. Dále bych rád poděkoval vedoucímu 3D měřícího zařízení inženýru Martinu Melicharovi a úpravcům motorů J. Štěrbovi a L. Klimešovi za velmi cenné rady při konzultacích. LITERATURA [1] SLOVÁK, Marek. Dvoudobý jednoválcový motocyklový motor s výfukovými ventily. V Brně, 2012. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/handle/11012/12168. Diplomová práce. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICK É V BRNĚ. [2] BELL, A. Two-stroke performance tuning. 2nd ed. Newbury Park, Calif., USA: Haynes North America, 1999, 271 p. ISBN 18-596-0619-9. [3] HAYNES. Motorcycle Basics Techbook, 2nd edition, Haynes Publishing, 224 s. ISBN 1-85960-515-X [4] OPLUŠTIL, Vít. Dvoudobé motory závodních motocyklů kategorie GP. V Brně, 2010. Dostupné z: http://www.vutbr.cz/studium/zaverecne-prace?zp_id=30424. Bakalářská práce. VYSOKÉ UCENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. [5] SYŘIŠTĚ, Daniel, Tomáš SKOPEČEK a Vladimír KAPINUS. Reverzní inženýrství, digitalizace a výroba forem. Reverzní inženýrství, digitalizace a výroba forem. 2004, roč. 2004, č. 12. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/reverzni-inzenyrstvi-digitalizace-a-vyroba-forem.html [W1] Jawa 50/23 Mustang [online]. 19.11.2007 [cit. 2013-04-07]. Dostupné z: http://jawaspeed.wgz.cz/rubriky/historie-motocyklu-jawa-a-cz Tento příspěvek byl podpořen formou odborné konzultace Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.3.00/35.0048 Popularizace výzkumu a vývoje ve strojním inženýrství a jeho výsledků (POPULÁR). 9