BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ BLOK VÁLCŮ tvoří kluznou plochu pístů (přímo nebo prostřednictvím vložek válců), zabezpečuje chlazení válcové jednotky KLIKOVÁ SKŘÍŇ zabezpečuje uložení KH, rozvodových kol, vačkového hřídele (u OHV), příslušenství (uvnitř olejového čerpadla, zvenčí pomocných agregátů, uložení apod.), předního a zadního víka, olejové vany, hlav válců. Současným standardem je společný odlitek bloku válců s klikovou skříní. Výjimkou je oddělený blok válců u vzduchem chlazených motorů. Určujícím parametrem z hledisek hmotnosti, rozměrů a namáhání je rozteč válců. Řadové motory minimální rozteč válců lmin je určena dimenzováním můstku mezi vývrty válců (těsnost, tuhost). Závisí na volbě a provedení hlav a vložek válců, na průměru válce D: Provedení vložek válců: suché.tenké vložky jsou po celé délce zalisované, nebo zalité v bloku válců mokré..vložky jsou vložené do bloku válců a jejich vnější povrch se stýká s chladící kapalinou lmin 1,07 D hlava válců je vcelku (standard u rozvodů OHC), suché vložky lmin 1,1 D.. hlavy válců jsou samostatné pro každý válec, suché vložky lmin 1,25 1,28 D.pro mokré vložky (v současnosti od D>110 mm) Vidlicové motory ojnice jsou obvykle na klikovém čepu KH uloženy vedle sebe, pak pro minimální rozteč je určující dimenzování KH a ložisek 1
BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ HLAVA VÁLCŮ Blok válců obvykle spolu s klikovou skříní odléváme ze šedé litiny, nebo u menších motorů ze slitin hliníku. Konstrukce a technologie musí zabezpečit, vedle požadavků pevnosti a tuhosti, i tribologické vlastnosti kluzné plochy pro vedení pístů. ŠEDÁ (NEBO VERMIKULÁRNÍ) LITINA se používá v provedeních: a) MONOLITICKÉ jednoduchá konstrukce se používá obvykle jen s tepelným zpracováním povrchu válců proti opotřebení b) HETEROGENNÍ suché vložky tenkostěnné z oceli (tl.2-3mm), dnes ojediněle u starších konstrukcí - mokré vložky (vložené, výměnné) u větších motorů s vrtáním větším než 110 mm, samostatný vložený válec umožní volit legovanou litinu a specielní technologii pro zlepšení tribologických vlastností. Konstrukční řešení je však náročné na tolerance styčných ploch s blokem válců pro zabezpečení těsnosti chladící kapaliny a deformací vývrtu válce. Dva druhy uložení válce za: - horní nákružek (visící) TĚSNĚNÍ Přesah 0,03-0,06mm VLOŽKA Shodné, lisované uložení BLOK Výška nákružku vložky kompromis: deformace-chlazení Omezení deformací vložky: -hluboko zapuštěné šrouby -nálitky svázané žebrem Tloušťka stěny 0,06 D deformace, kavitace Uložení H/g Těsnící kroužky z odlišných materiálů: Odolnost kapalině a oleji Příklad s uložením za horní kroužek
DRUHY ULOŽENÍ MOKRÉ VLOŽKY za horní nákružek za dolní nákružek Uložení za dolní nákružek (stojící). Výhodou je lepší chlazení nejteplejší horní partie vložky, jednodušší odlitek bloku válců, Nevýhodou je deformace způsobená velkou sevřenou výškou (bylo upuštěno od této konstrukce). Dříve používáno u motorů Saurer, Fiat, Škoda. 3
ULOŽENÍ MOKRÉ VLOŽKY ZA HORNÍ NÁKRUŽEK - PŘÍKLAD 2-5mm Délka vložky 2-5mm od spodního obrysu PČ (píst je v D.Ú.) Chladící prostor válce končí u polohy pístních kroužků pístu v D.Ú. Dnes obvykle zkrácen k poloze 1. PK. 4
MOKRÁ VLOŽKA S HORNÍM NÁKRUŽKEM PŘÍKLAD Výhodou je jednodušší odlitek bloku válců a naprosto jednoduchý odlitek, rotačně symetrický, vložky válce s legovaného materiálu (odlišný od bloku válců). Legovaná litina, odstředivě litá: P (do 0,8%) snižuje opotřebení Cr (1-3%) tvrdost 300 HB Si (5%) tvrdost 400HB ( normální šedá litina 170-200HB) Kluzná plocha vložky se křížově honuje pod úhlem 60-90 Pro usnadnění záběhu se povrch kluzné plochy upravuje fosfátováním 5
DEFORMACE válcové plochy je odlišná ve volném stavu (vložená do válce) a v předepnutém stavu (po utažení hlavy válců hlavovými šrouby) VOLNÝ PŘEDEPNUTÝ MIKROGEOMETRIE kluzné plochy (opracování křížovým honováním ): Ra= 0,5-2,0 m Rt = 6-15 m se změní po záběhu nebo speccielní technologii Planteau-Honung (plošinkové honování) srážení břitů brusným kamenem Ra=0,4-1,0 m 6
KLIKOVÁ SKŘÍŇ ZE SLITIN HLINÍKU v provedeních: MONOLITICKÉM nadeutektoidní slitina Al-Si (ALUSIL) Al Si17 Cu4 Mg vyžaduje lití do kokil pod nízkým tlakem, licí cyklus je relativně dlouhý a omezuje sériovost. Vynikající tribologické vlastnosti a vyšší cena předurčuje použití u motorů vyráběných ve středních sériích V8, V12 (BMV, Mercedes, Porsche) KVAZIMONOLITICKÉM a) Kluzné povlaky nanášené elektrolyticky (Ni-SiC), nebo plazmově, nenalezly použití v sériové výrobě. b) Lokální utváření povrchu v konceptu LOKASIL - na kluzném povrchu vznikne materiál s vysokou koncentrací Si. Technologie je založená na vkládání pórovitých vložek z Si do licí formy, které jsou během lití (pod vysokým tlakem) infiltrovány do povrchu válců (do základního Al materiálu) bloku. Vzhledem k produktivní technologii, kterou je vysokotlaké lití, jedná se perspektivní koncept z hlediska sériovosti a ceny. HETEROGENNÍM a) Mokré vložky (historie u Škoda, dnes se nepoužívá) b) Suché vložky -zalisované nebo zalité (materiál: legovaná litina, ocel, nadeutektoidní Al 7
SUCHÁ VLOŽKA ZALISOVANÁ - PŘÍKLAD 8
SUCHÁ VLOŽKA ZALITÁ - PŘÍKLAD Porovnání vlastností hliníkových )Al) a litinových (GG) bloků válců (skříní): Kriterium Al/GG Hmotnost Tepelná vodivost Pevnost v tahu Pevnost v tlaku Pevnost v ohybu Tuhost Tepelná roztažnost 0,37 2-3 0,6-0,9 0,33 0,4-0,7 0,7 2 9
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH 1. V OSE KLIKOVÉHO HŘÍDELE u menších řadových motorů, spodní víko vytažené do dělící roviny, víka ložisek KH jednotlivá. Problematické těsnění předního a zadního konce KH Ložiskové víko integrální, velmi tuhé, spodní víko jednoduchou těsnící plochou pod hřídelovým těsněním KH. Problematické těsnění ložiskového víka (kov na kov) 10
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH 2. POD OSOU KLIKOVÉHO HŘÍDELE klasické provedení s jednotlivými víky ložisek KH. Vzdálenost dělící roviny od osy KH co nejmenší (podle velikosti hřídelových těsnění) z důvodů kmitání volné části skříně- přenos vibrací do spodního víka hluk. U vidlicových, nebo i řadových motorů boční šrouby k vyztužení vík Zvláštním případem je tunelové provedení bez ložiskových vík. Dnes TATRA s valivým uložením KH 11
3. NETYPICKÁ PROVEDENÍ Porsche s uložením KH v tuhých integrálním děleném víku a připojených blocích válců LIAZ M3:konstrukční řešení spočívající v náhradě vnějších stěn motorové skříně (spolu se spodním víkem) laminátovým zvukově izolačním plechem, Pokles tuhosti bloku válců byl kompenzován vnitřní úpravou odlitku a spojováním vík ložisek klikového hřídele v integrovaný celek. Otevřenou spodní část klikové skříně z bočních stran zakrývaly panely, na jejichž příruby bylo připevněno spodní víko. 2011- Liberec prof. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D. 12
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Primárně vzniká deformace od silového působení spojovacích šroubů hlavy válce, vík ložisek a spalovacího tlaku. Obvykle postačí MPK řešit idealizovaný model, vytvořený výřezem v okolí přepážky skříně (poznatek z experimentů a výpočtů prováděných již v 80 letech u M3-Liaz). 13
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Aplikace na výpočtu modelu stacionárního motoru vrtání 150 mm BEZ a.s. Těsnění Vložka válce Boční šroub ložiskového víka Víko ložiska vačkového hřídele Skříň Cílem konstrukční optimalizace bylo dosáhnout stavu, kdy se vývrty pro ložiska a osa přepážky deformují co nejméně. Ovalizace vývrtu se koriguje citronovými ložiskovými pánvemi. Šroub ložiskového Ložiskové víko víka 14
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Nesymetrie konstrukce v příčném směru vede k velké deformaci přepážky od dynamických sil spalovacího tlaku 1000 800 Y [mm] 1200 600 400 1200 400 200 0,025 Y [mm] 600 max F max Fx 0 1000 800 statika 200 0-0,025-0,05 X [mm] -0,075-0,1 Deformace přepážky se korigují úpravou konstrukce. původní Vliv konstrukčních úprav na deformaci přepážky při max spalovací tlaku ve válci úprava 3 úprava 4 0 0,025 3,5E-16-0,025-0,05-0,075 X [mm] -0,1 15
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Dynamické vybočování přepážky v příčném řezu je známé jako banánový efekt a ovlivňuje hlukové chování skříně. Možné konstrukční úpravy: žebra, osová symetrie odstranění kmitajících stěn, kapotáž 1200 800 600 Y [mm] 1000 400 200 původní úprava 3 úprava 4 0 0,025 0-0,025-0,05-0,075-0,1 X [mm] 16
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Původní konstrukce Upravená konstrukce 17
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Z Y X 18