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 INŽENÝRTSVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING HNACÍ ÚSTROJÍ ŘADOVÉHO TŘÍVÁLCOVÉHO VZNĚTOVÉHO MOTORU CRANKTRAIN OF IN-LINE THREE-CYLINDER DIESEL ENGINE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR ZDENĚK LANGER Ing. PAVEL NOVOTNÝ, Ph.D. BRNO 2008

ABSTRAKT Stále se zvyšující požadavky na kvalitu produktů jako jsou spalovací motory, se současným požadavkem na výrobu co největšího množství kusů vedou i k urychlování vývoje motorů. S vývojem motorů dochází i k rozvoji softwarových prostředků, k urychlení jejich vývoje, snížení nákladů na výrobu prototypů a pomocí naměřených dat z reálných motorů i k ověřování jejich výpočtových modelů. S tímto rozvojem souvisí nasazení prostředků CAE nástrojů, jako jsou CAD systémy, MKP programy a multi-body systémy. Předmětem této práce je právě využití těchto systémů k řešení dynamiky klikového hnacího ústrojí spalovacího motoru. Dále jsou zde prezentovány výsledky dynamické analýzy tohoto ústrojí. Interakce mezi blokem motoru a klikovou hřídelí je řešena pomocí modelu hydrodynamického kluzného ložiska. Všechny výpočtové metody uvedené v této práci jsou aplikovány na řadový tříválcový vznětový motor. Klíčová slova: FEM, MBS, dynamika klikového ústrojí, hydrodynamický model kluzného ložiska ABSTRACT Increasing requirements on products quality e.g. internal combustion engines, and growing demand on producing major parts lead to the giant development of the engines. With the engine development also great progress in the software tools has come. By decreasing costs on production of the prototypes and by support of the measured data the verification of the computational models is possible. This development has connection with using CAE tools like CAD systems, FEM programs and multi-body systems. The subject of this thesis is about using these systems to solve cranktrain dynamic. Also cranktrain dynamic results are introduced there. Interaction between the engine block and the crankshaft is solved by the hydrodynamic bearing model. All simulation methods are presented on a diesel free-cylinder in-line engine. Keywords: FEM, MBS, cranktrain dynamic, hydrodynamic slide bearing model Bibliografická citace: LANGER, Z. Hnací ústrojí řadového tříválcového vznětového motoru. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 58 s. Vedoucí diplomové práce: Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně, pod vedením vedoucího diplomové práce Ing. Pavla Novotného, Ph.D. a s použitím odborné literatury a informačních zdrojů, které jsou uvedeny na konci této práce. V Brně dne 23. 5. 2008... podpis

Poděkování Děkuji panu Ing. Pavlu Novotnému, Ph.D. za pedagogickou a odbornou pomoc při vypracování této diplomové práce a za jeho cenné rady. Také děkuji svým rodičům za jejich podporu nejen při tvorbě této práce, ale i v průběhu celého studia.

OBSAH 1 ÚVOD... 10 2 DYNAMICKÉ MODELY KLIKOVÉHO ÚSTROJÍ... 11 3 CÍL PRÁCE... 14 4 TVORBA 3D CAD MODELŮ KLIKOVÉHO ÚSTROJÍ... 15 5 TVORBA MKP MODELU KLIKOVÉ HŘÍDELE V PROSTŘEDÍ ANSYS... 19 6 PŘEVEDENÍ MKP MODELU KLIKOVÉ HŘÍDELE DO ADAMAS... 20 7 SESTAVENÍ VÝPOČTOVÉHO MODELU VPROSTŘEDÍ MBS ADAMS... 22 7.1 Sestavení výpočtového modelu klikového ústrojí v MBS ADAMS/Engine- Standard Interface... 23 7.2 Sestavení výpočtového modelu klikového ústrojí v ADAMS/Engine-Template Builder... 27 7.2.1 Sestavení modulu hnacího ústrojí řadového vznětového tříválcového motoru... 28 7.3 Model s tuhou klikovou hřídelí (rigid crankshaft)... 35 7.4 Model s torzně-pružnou klikovou hřídelí (torsion-flexible crankshaft)... 36 7.5 Model s klikovou hřídelí z prutových prvků (beam crankshaft)... 38 7.6 Model s pružnou klikovou hřídelí (flexible crankshaft)... 40 8 HYDRODYNAMICKÁ KLUZNÁ LOŽISKA... 41 8.1 Model kluzného ložiska v ADAMS/Engine... 41 9 VÝSLEDKY ZÍSKANÉ V PROSTŘEDÍ ADAMS... 46 10 ZÁVĚRY PRÁCE A ZHODNOCENÍ MODELU... 55 11 POUŽITÉ ZDROJE... 57 Brno, 2008 9

1 ÚVOD Na moderní spalovací motory jsou neustále zvyšovány požadavky, jako např. nízká spotřeba paliva, nižší emise výfukových plynů, klidný a tichý chod, nízká cena motoru apod., proto je třeba už ve fázi vývoje uvažovat všechny tyto požadavky jak ze strany zákazníka, tak i legislativních předpisů. V procesu vývoje moderních pohonných jednotek jsou stále více a více důležité metody virtuálního prototypingu. Pomocí těchto metod lze simulovat jednotlivé fyzikální děje, které probíhají ve spalovacím motoru, především termodynamické děje a dynamiku klikového ústrojí spalovacího motoru. Na jedné straně numerické simulace šetří čas vývoje a náklady na drahé provozní zkoušky a na straně druhé pomáhají vývojovým inženýrům detailně porozumět problematice dynamiky subsystémů. Obecně si můžeme vybrat mezi speciálním softwarem a víceúčelovým simulačním softwarem. Předešlý proces vývoje motorů ukázal, že ani specializované softwary na motory a ani víceúčelové softwarové prostředky nejsou schopny pokrýt samotný proces moderního vývoje motorů. Jen kombinací přístupů jednotlivých softwarů mohou být zaručeny jejich výhody na straně jedné a flexibilita na straně druhé. S postupným vývojem výpočetní techniky a softwarových prostředků, které se využívají pro matematické modelování spalovacích motorů, se zpřesňují i dosažené výsledky. Matematickým modelováním spalovacích motorů v podobě virtuálního motoru lze velmi výrazně zkrátit dobu vývoje a odhalit případné chyby ještě než je vyroben první fyzický prototyp motoru. Brno, 2008 10

2 DYNAMICKÉ MODELY KLIKOVÉHO ÚSTROJÍ Spalovací motor je velmi složitá a komplikovaná soustava. Jeho každá součást musí být velmi dobře navržena tak, aby plnila přísné legislativní požadavky, ale také i požadavky zákazníků, jako např. malé vibrace, nízká spotřeba paliva, dlouhá životnost apod. Na toto všechno je třeba myslet již ve fázi návrhu pohonné jednotky, kde je třeba předcházet pozdějším nepříjemným jevům, které by mohly mít negativní účinek na chování spalovacího motoru. Klikový mechanismus spalovacího motoru je namáhán jednak tzv. primárními silami od tlaku plynů, ale pak i sekundárními silami od rotujících a posuvných hmot. To vyvolává i další druhy namáhání, které působí na jednotlivé součásti klikového ústrojí. Se zvyšováním výkonu spalovacích motorů rostla i potřeba ověřovat a kontrolovat jednotlivé součásti vzhledem k jejich pevnosti. K tomuto účelu se současně s vývojem motoru začaly používat výpočtové modely spalovacího motoru, kde největší pozornost je soustředěna na hnací ústrojí pohonné jednotky. Už v počátcích vývoje spalovacího motoru byla největší pozornost věnována klikové hřídeli. Jde o velmi složitou součást hnacího ústrojí spalovacího motoru, která je nejvíce namáhána. Protože spalovací motor pracuje podle určitého cyklu, působí na klikovou hřídel proměnné účinky nebo také můžeme říci harmonické účinky v podobě kmitání. Kliková hřídel je namáhána kmity torzními, ohybovými a axiálními. Toto kmitání ovlivňuje celkové chování pohonné jednotky. Historicky bylo hlavním zájmem napětí ve vrubech klikové hřídele sdruženým s ohybem kliky. Tzv. staticky určité schéma, znázorněné na obr. 1.1, bylo využíváno na začátku vývoje dieselových motorů. Tento model uvádí ve své práci Piraner [11]. Každé zalomení klikové hřídele bylo uvažováno odděleně bez interakce se sousedními zalomeními. To umožnilo počítání ohybových momentů v ramenech klikové hřídele, které v souvislosti s faktory koncentrace napětí dovolily výpočet ve vrubech. Jednoduchost a konzervativní povaha tohoto schématu jej udělalo velmi populární. Aplikace na víceválcové motory, zejména na lodní, vedla k vývoji řešení analýzy torzních kmitů klikové hřídele soustředěných na výpočet kolem olejových kanálů a čepů ložisek. První použití staticky určitého schématu bylo na základě předpokladu tuhého bloku. Snížení působení ohybového momentu v hlavních ložiskových čepech způsobilo významnou redukci výpočtu ohybového namáhání. Obr. 1.1 Staticky určité schéma tuhé klikové hřídele [11] Brno, 2008 11

Dalším typem modelu je tzv. torzní model klikové hřídele, viz obr. 1.2, kdy jsou jednotlivá zalomení klikové hřídele redukována do kotoučů s konstantním poloměrem setrvačnosti, tento výpočtový model uvádí Píštěk a Štětina[1] nebo Novotný[3] ve své práci. Moment setrvačnosti kotouče zahrnuje všechna rotační zalomení a posuvné části jsou vyjádřeny příslušnou střední hodnotou momentu setrvačnosti, která vyplyne z energetických úvah při redukci posuvných částí na poloměr zalomení. Rovněž torzní tuhosti musí odpovídat tuhostem příslušných úseků reálného zalomení. Tento model už z jeho podstaty postihuje však jenom torzní kmity, takže jej nelze použít k výpočtu kmitů ohybových nebo pro axiální kmity klikové hřídele. Tento model dává i v dnešní době poměrně slušné výsledky, nejjednodušší varianty lze řešit bez pomoci drahé výpočetní techniky. Obr. 1.2 Torzní model klikové hřídele [3] Další úrovní jsou modely klikových hřídelí používaných ve výpočetních systémech metody konečných prvků (MKP) a multi-body systémů (MBS), viz obr. 1.3, kde je celé klikové ústrojí řešeno ve formě třírozměrného kontinua. MBS, jak už sám název napovídá, jde o soustavu těles, která se používá jako model dynamického chování vzájemně spojených tuhých nebo pružných těles, které mohou vykonávat prostorové translační nebo rotační posuvy. Obr. 1.3 Model hnacího ustrojí v MBS [4]. Brno, 2008 12

Vývoj modulu klikového ústrojí v MBS lze rozdělit do dvou částí: První část je uvažování všech těles jako tuhých, anebo lze uvažovat klikovou hřídel za zjednodušeného předpokladu jako pružnou a ostatní části jako tuhé. Kliková hřídel může v této první části přístupu obsahovat tři úrovně: tuhá kliková hřídel torzně-pružná kliková hřídel torzně a ohybově pružná kliková hřídel, jejíž jednotlivé části jsou složeny z prutových prvků, viz obr. 1.4 Obr. 1.4 Model klikové hřídele z prutových prvků v MBS [4] Druhou částí přístupu je předpoklad hlavních částí tzn. kliková hřídel a blok motoru, jako pružné. Tyto jednotlivé typy klikových hřídelí budou podrobně popsány níže, kde jim bude věnována větší pozornost. Na obr. 1.5 je znázorněna další úroveň modelů hnacího ústrojí spalovacích motorů. Obr. 1.5 Trojrozměrný model hnacího ústrojí v prostředí MBS s pružnou klikovou hřídelí[4] Brno, 2008 13

V prostředí MKP systému, viz obr. 1.6, je vytvořen model klikové hřídele, tento MKP model klikové hřídele je modelován jako pružný a pak je importován do prostředí MBS. Obr. 1.6 Příklad MKP modelu klikové hřídele V prostředí MBS je vytvořen kompletní model hnacího ústrojí včetně hydrodynamického modelu kluzného ložiska (HD). Tento výpočtový model umožňuje stanovit únavovou pevnost v celém rozsahu otáček. Lze také postihnout dynamické jevy a vybudit rezonance systému. Zároveň je zde zahrnuta okamžitá poddajnost olejového filmu i samotných ložisek. Díky tomu je získán věrohodný průběh reakcí v ložiskách. Velkou výhodou je výrazné zkrácení času vývoje klikových hřídelí a získaní komplexní informace o chování celého systému. Poslední typy výpočtových modelů jsou již velmi složité a náročné na výpočet. Řešit tyto modely dovolil rozmach výpočetní techniky v posledních letech. 3 CÍL PRÁCE Tato práce je zaměřena na problematiku matematického modelování dynamických systémů hnacího ústrojí spalovacího motoru, především z hlediska kmitání. Cílem této práce je vytvoření matematického modelu hnacího ústrojí spalovacího motoru pomocí programů ANSYS a ADAMS. Detailní zaměření této práce je použití CAE (Computer Aided Engineering) nástrojů v modelování pohonných jednotek, především pomocí modelů vytvořených v MKP a jejich dynamickou analýzu v prostředí MBS. Důraz je především kladen na třírozměrné modelování v CAD systému. Prvním krokem je vytvoření třírozměrných modelů jednotlivých součástí hnacího klikového ústrojí. Z těchto modelů je možné zjistit mnoho důležitých informací, jako např. hmotnost, tenzor setrvačnosti atd., a zároveň je možné tyto modely použít k tvorbě MKP modelů. V současné době existuje velké množství CAD systémů, které se využívají k modelování. V tomto případě byl použit CAD systém Pro/ENGINEER. Druhým krokem je vytvoření MKP modelu klikové hřídele a převedení tohoto modelu do MBS. Pro tuto práci byl použit MKP systém ANSYS. Brno, 2008 14

Posledním bodem je použití MBS, kde je simulována dynamika hnacího ústrojí pohonné jednotky. MBS jsou rozsáhlé a mohou obsahovat rozličné druhy těles, od vlastních, které jsou součástí MBS až po vytvořená tělesa v CAD nebo MKP systému. V tomto případě byl použit multi-body systém MSC. ADAMS/Engine, který obsahuje i model kluzného HD ložiska. Následující kapitoly popisují tvorbu výpočtového modelu hnacího ústrojí vznětového řadového tříválce, který byl vytvořen podle již existujícího motoru. Tato práce začne postupně od vytvoření celého modelu v CAD systému až po sestavení modelu v MBS. 4 TVORBA 3D CAD MODELŮ KLIKOVÉHO ÚSTROJÍ Účelem této práce je využití CAE nástrojů pro vytvoření virtuálního motoru, ale v této části bude uvedena jen stručná charakteristika vytvoření jednotlivých modelů. Detailním popisem celého stromu operací tvorby modelu se tato práce zabývat nebude. Jak už bylo výše zmíněno, pro potřeby této práce bylo využito CAD systému Pro/ENGINEER. Všechny modely byly vytvořeny podle 2D dokumentace. Tyto modely musely být modelovány velmi přesně, protože nejen rozměry, ale i hmotnostně musí odpovídat co nejvíce výkresové dokumentaci, aby při pozdějším použití hodnot z těchto modelů bylo dosaženo co největší věrohodnosti výpočtového modelu a přiblížení se reálnému motoru. Jednotlivé části byly vytvářeny pomocí základních modelovacích operací v modulu Part. Píst jeho základní tvar byl vytvořen rotováním poloviny průřezu pístu kolem jeho osy. Nálitky v pístu byly vytvořeny vytažením objemu. Rotací plochy kolem vlastní osy byly vytvořeny drážky pro pístní kroužky, ale tento příkaz byl upraven tak, aby došlo k odstranění materiálu. Poté byl postupně pomocí dalším příkazů a úprav jako např. sražení hran a rádiusů dokončen výsledný trojrozměrný model pístu. Obr. 4.1 CAD model pístu Brno, 2008 15

Pístní čep model pístního čepu je vytvořen pomocí rotace průřezu kolem osy pístního čepu a konečný tvar je dokončen sraženími. Obr. 4.2 CAD model pístního čepu Ojnice jedná se už o složitější model z hlediska technik modelování a je třeba si předem uvážit metodiku modelování. U modelu ojnice byla první vytvořena oka ojnice rotací průřezů ok kolem jejich os. Dřík ojnice byl vytvořen pomocí vytažení objemu, následně byl dotvořen opět vytažením, ale odebráním matriálu. Poté byla dotvořena oblast kolem dělené hlavy ojnice v oblasti připojení šrouby pomocí vytažení objemu. Další operací bylo vytvoření děr pro šrouby a ojnice byla dokončena rádiusy a sražením hran tak, aby bylo docíleno geometrického tvaru a hmotnosti podle výkresu. Obr. 4.3 CAD model ojnice Kliková hřídel nejsložitější model této sestavy. Čep pro řemenici byl vytvořen rotací kolem své osy, další části hřídele jako hlavní čepy, ramena a klikové čepy jsou postupně přidávány, až byl vytvořen hrubý tvar klikové hřídele. Tyto části jsou vytvořeny vytažením objemu. Potom bylo provedeno odebrání materiálu ramen, toho bylo docíleno rotací tvarového průřezu. Nakonec byly doplněny otvory a technologické prvky, jako sražení hran a rádiusy. Brno, 2008 16

První byl vytvořen velmi přesný CAD model, který odpovídal výkresové dokumentaci, ale následně musel být tento model upraven tak, aby byl použitelný v MKP programu. Obr. 4.4 CAD model klikové hřídele Řemenice byla vytvořena pomocí rotace vlastního průřezu kolem své osy. Poté byly provedeny změny, jako vytvoření drážky pro pero pomocí funkce odebrání materiálu a poté následovalo použití sražení hran či rádiusů. Obr. 4.5 CAD model řemenice Brno, 2008 17

Protizávaží základem modelu protizávaží je operace vytažení objemu obrysu závaží, následovalo sražení obrysových hran a přidání rádiusů. Obr. 4.6 CAD model protizávaží Po vytvoření všech CAD modelů následovalo sestavení CAD modelu hnacího ústrojí řadového vznětového tříválce pomocí vazeb v CAD systému. Obr. 4.7 CAD model hnací ústrojí v Pro/ENGINEER Brno, 2008 18

5 TVORBA MKP MODELU KLIKOVÉ HŘÍDELE V PROSTŘEDÍ ANSYS Pro potřeby této práce bylo třeba vytvořit pružnou klikovou hřídel s pomocí MKP programu. Na obr. 5.1 je znázorněn MKP model klikové hřídele. Geometrie hřídele se zjednodušila, hlavně v oblasti přechodových rádiusů, protože tyto detaily nemají rozhodující vliv na celkovou tuhost modelu, i když mohou mít rozhodující vliv na napjatost modelu. Pokud bychom však dělali deformačně napěťovou analýzu, pak by mohly být jednotlivé části klikové hřídele modelovány detailněji. Obr. 5.1 MKP model klikové hřídele řadového tříválcového vznětového motoru (FREE GENERATION) V tomto případě obsahuje MKP model pouze samotnou klikovou hřídel bez setrvačníku a řemenice. Tyto součásti budou přidány až v řešení v časové oblasti jako tuhá tělesa. Další variantou by mohly být ta, kdy bude vytvořen MKP model klikové hřídele se setrvačníkem a řemenicí. Geometrie klikové hřídele byla vytvořena pomocí CAD a poté exportována do systému MKP. V MKP sytému bylo nutno přiřadit součásti typ prvku a typ materiálu. Byl zvolen desetiuzlový prvek Solid 187. Pro potřeby dynamických výpočtů v časové oblasti byla velikost volena tak, aby model obsahoval mezi 70000 90000 uzlových bodů (nodů). Nakonec byla zvolena velikost prvku 12 a výsledkem tedy bylo vytvoření okolo 54000 elementů a 86 740 uzlových prvků. Poté byla vytvořena konečnoprvková síť volnou generací prvků. Dalším krokem bylo vytvoření nodů v těžišti jednotlivých částí klikové hřídele. Důvodem je pozdější převedení MKP modelu do MBS. Následně byly pomocí těchto nodů vytvořeny elementy, Brno, 2008 19

které začínaly v uzlovém nodu části klikové hřídele a končily na jeho povrchu. Tyto elementy byly vytvořeny pro vytvoření modelu kluzného ložiska klikové hřídele. 6 PŘEVEDENÍ MKP MODELU KLIKOVÉ HŘÍDELE DO ADAMAS Pružná tělesa vytvořená v MKP programu mají velký počet stupňů volnosti a je třeba je pro použití v MBS redukovat tento počet stupňů volnosti. Proto před samotnou redukcí takovéhoto tělesa je vhodné provést jeho modální analýzu. Modální analýzy v tomto případě byla provedena na klikové hřídeli. Na obr. 6.1 je uvedeno prvních šest módů. 1 406,6 Hz 2 409,5 Hz 3 546 Hz 4 733,7 Hz 5 941,4 Hz 6 966,6 Hz Obr. 6.1 Vlastní tvary a vlastní frekvence klikové hřídele řadového vznětového tříválce Pro převod z ANSYS do ADAMS musí být v prostředí ANSYS zvoleny u modelu tyto parametry: Brno, 2008 20

typ prvku sítě zda jde o materiál lineární, isotropní nebo ortotropní materiálové vlastnosti (modul pružnosti v tahu, Poissonovo číslo, hustota) tlumení se doplní až v prostředí ADAMS Poté byly vybrány uzlové body rozhraní (attachment points) v těžištích jednotlivých částí MKP modelu klikové hřídele, nastaveny jednotky a byl proveden převod MKP modelu klikové hřídele do souboru MNF(MNF = Modal Neutral File). Tento soubor slouží k popisu pružného tělesa v ADAMS. Kombinuje v sobě kompaktní velikost a efektivní přístup k datům. V MNF souboru jsou zahrnuty tyto informace: Geometrie modelu: hmotnost, momenty setrvačnosti (tenzor setrvačnosti), polohu nodů Uzlová hmotnost a setrvačnost Tvary módů Celková hmotnost a tuhost jednotlivých tvarů módů Pokud je vytvářeno pružné těleso v ADAMS, jeho rozhraní využívá různé vazby mezi tělesy, buď jde o spojení těles, nebo silové vazby mezi tělesy. V ADAMS/Flex může mít model různé okrajové podmínky bodů rozhraní, kterými jsou vazby uzlových bodů, mají 6 stupňů volnosti (DOF = degrees of freedom) v kartézském souřadném systému. Uzlové body rozhraní jsou ekvivalentem superelementu vnější sítě bodů. MKP analýza součásti je obvykle provedena bez detailních informací o vnějších vazbách. Tyto okrajové podmínky jsou často neznámou funkcí času. Jestliže ADAMS analýzy umí jen přizpůsobit normálné módy (vlastní vektory), čísla módů, která by byla požadována modelem, by se mohla dramaticky zvýšit. S dřívější znalostí uzlů, ve kterých působí síly nebo jsou zde umístěny vazby tělesa, může ADAMS docílit vysoké přesnosti řešení s minimálním počtem módů. Uzlové body rozhraní nemají žádné nevýhody. Avšak každý uzlový bod má normálně šest stupňů volnosti. Odpovídající počet stupňů volnosti uzlů rozhraní je omezující mód, který má statický tvar módu skrze jednotkové posunutí jednoho stupně volnosti, zatímco všechny zbývající stupně volnosti uzlových bodů jsou fixovány. Vysoký počet uzlových bodů může vést k nepraktickým datovým souborům a významně ovlivnit výpočetní čas procesoru, jestliže jsou přidružené módy zpřístupněné během dynamické simulace v ADAMS. Vždy je třeba si všimnout, že se mohou vždy použít vazby a síly pro každý uzlový bod bez toho, aby byly identifikovány jako uzlové body během MKP analýzy. Schopnost zachycení interakce struktury v uzlových bodech módu součásti je provedena použitím syntetické metody podobné metodě navržené Craigem a Bamptonem. Craig- Bamptonovy módy jsou omezovacími módy, které jsou zmíněné dříve, plus sada pevných normálných módů rozhraní, vlastních vektorů systému, zatímco všechny stupně volnosti uzlových bodů rozhraní jsou fixovány. Brno, 2008 21

Módy ADAMS/Flex používají modifikovanou verzi Craig-Bamptonových módů, které jsou vhodné k modelování pohybu velkých tuhých těles. Tato modifikovaná Craig-Bamptonova metoda podává tedy i více informací o příspěvku frekvence individuálních módů a dovoluje více volnosti během selekce módu. Protože ADAMS může měnit jednotky, musí MNF z prostředí ANSYS obsahovat jednotky, které jsou používány, či spíše přednastaveny v ADAMS. Proto je nutno tyto jednotky před převodem do programu ADAMS v programu ANSYS nastavit. MNF musí obsahovat SI jednotky Newton, Kilogram, Metr a Sekunda, ale v ADAMS jsou jednotky nastaveny milimetr, kilogram, newton, sekunda, a proto je nutné zvolit při redukci do MNF v ANSYS uživatelské nastavení (USER) jednotek Lenght Factor (koeficient délky) 1000 a Mass Factor (koeficient hmotnosti) 0.001, Force Factor (koeficient síly) a Time Factor (koeficient času) zůstanou na hodnotě 1. ANSYS používá jednotku pro délku metry a pro hmotnost tuny, a proto je koeficient pro délku 1000 pro hmotnost 0.001. 7 SESTAVENÍ VÝPOČTOVÉHO MODELU V PROSTŘEDÍ MBS ADAMS Model hnacího ústrojí klikového mechanismu v ADAMS/Engine se skládá z běžných částí jako skutečné hnací ústrojí spalovacího motoru, tzn., že obsahuje klikovou hřídel, ojnice, písty, pístní čepy, setrvačník atd. Základním předpoklad v MBS je, že hlavní tělesa (general parts), jako např. kliková hřídel, ojnice, písty atd., hnacího ústrojí jsou uvažována jako tuhá (rigid body). Tato tělesa jsou určena svojí polohou, orientací, momentem setrvačnosti a polohou těžiště. Protože uvažujeme tělesa jako tuhá, nedochází k jejich deformaci a vzájemným posuvům. Existují samozřejmě případy, kdy je třeba použít pružných těles v dynamice soustav těles. V tomto případě je to kliková hřídel, která je vysoce namáhaná, její deformace zde hrají významnou roli a je třeba do soustavy hnacího ústrojí uvažovat jako pružnou. K popisu pružných těles (flexible bodies) se využívá v ADAMS MNF souboru. Dynamika pružného tělesa je v ADAMS zajištěna pomocí modulu ADAMS/Flex. ADAMS/Flex využívá k modelování pružných těles metodu nazývanou modální pružnost. Modální pružnost přiřazuje pružnému tělesu soubor tvarů módů (vlastních vektorů). K vytvoření totální deformace pružného tělesa slouží princip lineární superpozice, kdy se v každém časovém kroku spojí jednotlivé tvary módů. ADAMS/Engine se skládá ze dvou módů rozhraní: Standard Interface v tomto módu rozhraní lze pracovat s již vytvořenými šablonami (templates), např. hnacích klikových ústrojí nebo vačkových mechanismů, které jsou základem subsystému a poté i samotné sestavy (assembly). Sestava reprezentuje soubor subsystémů spolu se zkušebním cyklem (test rig), u kterého lze využitím ADAMS/Solver provést analázu. Template Builder nabízí větší volnost při práci se šablonami a jedná se o uživatelsky pokročilejší rozhraní. V tomto módu je možno jak vytvářet nové šablony, tak upravovat stávající, které jsou pak základem vlastních subsystémů a sestav, např. virtuálních motorů. Brno, 2008 22

V následujících kapitolách budou popsány dva módy rozhraní ADAMS/Engine na konkrétních příkladech modulů klikových mechanismů motorů. V následující kapitole je modul Standard Interface vysvětlen na příkladu šablony tříválcového motoru, který modul Standard Interface obsahuje. Ale vše, co je uvedeno pro tuto defaultně obsaženou šablonu, platí i pro vytvořenou šablonu hnacího ústrojí řadového vznětového tříválcového motoru v modulu Template Builder, který je předmětem této práce. 7.1 Sestavení výpočtového modelu klikového ústrojí v MBS ADAMS/Engine-Standard Interface Základní přednastavené hnací ústrojí motoru se skládá z klikové hřídele, bloku motoru, pístů, ojnic, setrvačníku, vyvažovací hřídele, případně hřídelí a tlumiče torzních kmitů. Blok motoru je uložen na čtyřech silentblocích. Spojení mezi rotačními částmi je realizováno pomocí ložisek: hlavní ložiska, ojniční ložiska na klikovém hřídeli a ložiska pístního čepu. Následující obr. 7.1 znázorňuje sestavu hnacího ústrojí spalovacího motoru vytvořenou ze šablony obsažené v základní knihovně šablon ADAMS/ Engine. Obr. 7.1 Model klikového hnacího ústrojí tříválce v ADAMS/Engine [4] Základní šablony (template) klikových ústrojí umožňují použití klikového hnacího ústrojí jakéhokoli motoru, pokud ho knihovna šablon obsahuje. Defaultně je blok motoru připojen k silentblokům (mount part) a je sestaven provozní cyklus (test rig), který podává výstupní Brno, 2008 23

výsledky. Všechny komponenty jsou umisťovány relativně vzhledem k rámu (construction frame) cfs_cranktrain_ref_z_up, jehož poloha a orientace je určena pomocí komunikátorů (communicator). Použitím těchto komunikátorů je možné sestavovat hnací klikové ústrojí s ostatními subsystémy (subsystem), jako např. s ozubenými převody nebo hnací soustavou. Je možné modifikovat geometrická data jednotlivých modelů, takže si lze přizpůsobit model hnacího ústrojí vlastním potřebám. Samozřejmě lze jednotlivé modely soustavy měnit, např. jednohmotný setrvačník lze nahradit dvouhmotným. Model umožňuje studium vlivu rozdílné geometrie ložisek, rozdílných druhů klikových hřídelí nebo vyvažovacích hřídelí na dynamické chování klikového mechanismu. Chování ložisek závisí na několika parametrech, např. na olejovém filmu, který má velmi významnou roli u hydrodynamických ložisek. Kromě působení tlaku oleje u hydrodynamických ložisek, velmi ovlivňuje jejich chování i viskozita oleje. Viskozita oleje závisí na jeho teplotě, která je úměrně závislá na otáčkách motoru, pomocí této informace, která je přenesena přes vstupní komunikátor cis_engine_speed, se mění viskozita oleje. I chování tlumiče torzních kmitů se mění se změnou teploty, který je také závislý na otáčkách motoru. Topologie šablony je opět znázorněna na příkladu tříválcového motoru na obr. 7.2. Obr. 7.2 Topologie šablony tříválcového motoru [4] Setrvačník a tlumič torzních kmitů jsou připojeny ke klikové hřídeli. Poloha vyvažovací hřídele je definována proměnným parametrem, který popisuje polohu souřadného systému. Brno, 2008 24

Hnaný konec klikového ústrojí motoru je u setrvačníku připojen pomocí několika komunikátorů k provoznímu cyklu, spíše by bylo lepší říci, že toto ústrojí je připojeno k dynamometru, který toto ústrojí pohání. Výstupními komunikátory jsou: cos driver, který připojuje celé šasi k dynamometru cos driver location, který podává informace o umístění provozního cyklu cos driver orientation dává informace o orientaci provozního cyklu Vstupní komunikátor cis_engine_speed je důležitý pro několik vstupních parametrů, jedním z nich je např. výpočet teploty oleje. Úhel natočení klikové hřídele (crank angle) je nastaven jako výpočtově proměnný (solver variable). Na obr. 7.3 jsou znázorněny použité komunikátory u tříválcového motoru. Obr. 7.3 Umístění komunikátorů u tříválcového motoru [4] Na obr. 7.4 je znázorněno spojení pístního čepu s pístem a ojnicí a je možné použít dvou postupů: Připojení pístního čepu k pístu tak, že ložisko je umístěno mezi ojnicí a pístním čepem. Připojení pístního čepu k ojnici tak, že ložisko je umístěno mezi pístem a pístním čepem. Brno, 2008 25

Obr. 7.4 Připojení pístního čepu k pístu a ojnici [4] Síly od tlaku plynů působí na každý píst a tato reakce síly od tlaku plynů působí mezi pístem a blokem motoru. Průběh tohoto tlaku se velmi obtížně teoreticky stanovuje, proto je lepší využít buď už stejného, nebo podobného spalovacího motoru, a tento průběh tlaku experimentálně stanovit. Pro ues_piston_liner_connector je třeba zvolit vhodnou vazbu s pístem, princip je patrný z obr. 7.5. Blok motoru je aretován na čtyřech silentblocích (mount_part), které jsou fixovány k rámu, který má název mts_chassis, pomocí bezhmotných těles. Proměnnou pvs_position_mount může být modifikována pozice silentbloků pomocí jejich souřadných systémů (construction frames) cfs_mount, viz obr. 7.5. Obr. 7.5 Uložení motoru a vazba mezi blokem motoru a silami od tlaku plynů [4] Brno, 2008 26

V následující kapitole bude popsán druhý mód rozhraní ADAMS/Engine a to Template Builder. Protože model, který bylo třeba pro tuto práci nutno vytvořit, nebyl obsažen v knihovně šablon, musel být vytvořen pro potřeby této práce v Template Builder výpočtový model hnacího ústrojí řadového tříválcového vznětového motoru, který byl následně načtený do rozhraní Standard Interface, a v tomto rozhraní byla provedena výpočtová analýza modelu. Následující kapitola obsahuje popis tvorby tohoto modelu tříválce. 7.2 Sestavení výpočtového modelu klikového ústrojí v ADAMS/Engine- Template Builder Velmi výhodnou vlastností modulu hnacího ústrojí jsou předdefinované obecné parametry, které pomáhají uživateli v módu Template Builder umístěním souřadných systémů. Výhoda vlastnosti modulu hnacího ústrojí spočívá v tom, že vložením několika globálních parametrů jako jsou osová vzdálenost válců, zdvih, úhel rozevření válců a pořadí zážehů, umožní automaticky dopočítat polohu a orientaci hlavních ložisek, klikových čepů, ojnic a pístů. Obr. 7.6 Popis geometrie klikového ústrojí [13] Popisem tří souřadných systémů každého válce je úplně charakterizována geometrie běžného klikového ústrojí. Dokonce, kliková ústrojí, vykazující odchylku mezi osou vložky válce a osou rotace klikového hřídele (crank_offset), jsou zaznamenány touto metodologií. Poloha souřadnicového systému válce (Cylinder Reference) popisuje základní bod umístěný ve spodní části válce, který je obvykle umístěn na ose rotace klikové hřídele. Kvůli snadnému popisu odchylky, která je výše zmíněna, je umístěn základní bod na ose vložky válce nejblíže ose rotace klikové hřídele. Orientace bodu v souřadnicovém systému popisuje osu vložky válce. Poloha klikového čepu (Crank Pin Position) je také popsána souřadnicovým systémem orientovaným tak, že jedna osa směřuje radiálně od osy rotace klikové hřídele. Obvykle se používá k popisu klikového čepu klikové hřídele a spodního oka ojnice. Brno, 2008 27

Poloha a orientace pístu (Piston Position & Orientation) je umístěna ve středu pístního čepu a jedna jeho osa je rovnoběžná s osou vložky válce (toto platí pouze v případě, pokud není specifikovaná odchylka pístního čepu). Tento souřadnicový systém je použitelný pro definování polohy a orientace horního oka ojnice a pístu. Spojení píst válec je modelováno použitím vazeb modulu hnacího ústrojí. V tomto případě bude nezbytné doplnit další souřadnicový systém, např. pro popis polohy pístu v horní úvrati, aby byla jednoznačně určena poloha válce. 7.2.1 Sestavení modulu hnacího ústrojí řadového vznětového tříválcového motoru Pro potřeby této práce byl vytvořen model klikového hnacího ústrojí vznětového tříválce. Jednotlivé části modelu, jako kliková hřídel, písty, pístní čepy, ojnice atd., byly použity z knihovny součástí ADAMS/Engine v modulu Template Builder. V tomto modulu byla sestavena šablona motoru (template), která obsahuje základní informace o modelu. V následujících krocích bude detailně popsán postup tvorby šablony motoru, který je předmětem této práce. Vstupní komunikátory a souřadnicové systémy Byly vytvořeny dva typy vstupních komunikátorů, jeden popisuje polohu a druhý orientaci. Existují dva druhy komunikátorů: Vstupní komunikátory (Input Communicators) požadují informace z dalších subsystémů nebo zkušebních cyklů Výstupní komunikátory (Output Communicators) poskytují informace z dalších subsystémů nebo zkušebních cyklů Konvence os referenčního souřadnicového systému klikového ústrojí je: Osa z je rovnoběžná s osou rotace klikové hřídele Osa x je rovnoběžná s osou válce a směřuje od klikového hřídele k pístu, za předpokladu, že úhel rozevření válců je nula, tzn., jedná se o řadový motor V mnoha aplikacích osa rotace klikové hřídele není vertikální, ale je na ni kolmá. K zajištění správné orientace subsystému v sestavě, dokonce bez odpovídající orientace výstupního komunikátoru, musí být transformován globální souřadnicový systém tak, že souřadnicový systém, který může být tvořen dvěma souřadnicovými systémy: Souřadnicový systém motoru (globální): cfs_cranktrain_ref_z_up souřadnicový systém s osou z směřující vzhůru (v negativním směru působí gravitace) a osa x je rovnoběžná s osou rotace klikové hřídele, smysl otáčení okolo osy x je ve směru hodinových ručiček. Souřadnicový systém klikového hnacího ústrojí motoru: cfs_cranktrain_ref_x_up souřadnicový systém s osou-x směřující vzhůru (v negativním směru působí gravitace) a osa z je rovnoběžná s osou rotace klikové hřídele, smysl otáčení okolo osy z je ve směru hodinových ručiček. Brno, 2008 28

Nyní bude následovat popsání vytvoření vstupních komunikátorů a souřadných systémů v ADAMS/Engine v modulu Template Builder: Vytvoření komunikátorů polohy a orientace: Location (Poloha): o Input Communicator Name (název vystupního komunikátoru): cranktrain_loc o Entity (entita): location (poloha) o Type (typ): single (nezávislý) Orientation (Orientace): o Input Communicator Name (název vystupního komunikátoru): cranktrain_ori o Entity (entita): orientation (orientace) o Type (typ): single (nezávislý) Vytvoření souřadných systémů (Construction Frame): cranktrain_ref_z_up: o Construction Frame: cranktrain_ref_z_up o Type: single o Location Dependency: Location input communicator o Input communicator: cis_cranktrain_loc o Orientation Dependency: Orientation input communicator o Input Communicator: cis_cranktrain_ori cranktrain_ref_x_up: o Construction Frame: cranktrain_ref_x_up o Type: single o Location Dependency: Delta location from coordinate o Coordinate Reference: cfs_cranktrain_ref_z_up o Location: 0, 0, 0 o Location in: local o Orientation Dependency: Delta orientation from coordinate Brno, 2008 29

o Construction Frame: cfs_cranktrain_ref_z_up o Orientation: 90, 90, 90 Globálního nastavení motoru (Engine Global Dataset) o Engine Global Data Name (Název globálního nasvatení): zetor_3v_builder o Reference Frame (Referenční souřadnicový systém): cfs_cranktrain_ref_x_up o Cycle (Taktnost motoru): 4-stroke (Čtyřtaktní motor) o Rotation (Smysl otáčení): Clockwise (po směru hodinových ručiček) o Number of Banks (počet řad válců motoru): 1 o Number of Cylinders (Počet válců motoru): 3 Následuje výběr možnosti Cylinder Layout (nastavení válců) a nastavení Firing Order (Pořadí zážehů). V tomto případě je pořadí zážehů 1-3-2. Dále následuje nastavení dalších parametrů: o Stroke (zdvih): 110 (mm) o Bore Diamiter (Vrtání, Průměr Válce): 102 (mm) o Axial Cylinder Distance (osová vzdálenost válců): 134 (mm) o Effective Con Rod Length: 220 (mm) o Thrust Main Bearing No. (číslo hlavního axiální ložisko): 4 Náledujícím krokem je výběr Bearing Layout (nastavení rozměrů ložisek, jak hlavních main bearing, tak i ložisek na klikovém čepu crank pin bearing), Tento krok je znázorněn na následujícím obr. 7.7. Zde se nastavují tyto rozměry ložisek, jak na hlavních čepech, tak i na čepech klikových: o Průměr (Diameter) o Délka (Length) Brno, 2008 30

Obr. 7.7 Nastavení rozměrů ložisek Posledním krokem je nastavení těchto rozměrů: o Piston Pin Diameter (průměr pístního čepu): 35 (mm) o Piston Pin Lenght (délka pístního čepu): 85 (mm) o Piston Boss Spacing (vzdálenost nálitků v pístu pístního čepu): 41.9 (mm) Výchozí součástí hnacího ústrojí K zajištění správně fungující sestavy s vestavěným testovacím cyklem, musí být vytvořeny komunikátory, základní součásti sestavy a nastavení proměnných parametrů. Jako první byl vytvořen výpočtově proměnný vstupní komunikátor otáček motoru. Následovalo vytvoření složky od tlaku plynů a elementu teploty, který se odkazuje na komunikátor otáček motoru. Element teploty byl stanoven pro sledování teploty oleje. Element teploty definuje závislost teploty oleje ložiska na otáčkách motoru a je referenčním prvkem viskozity, která popisuje závislost viskozity na teplotě oleje. Viskozita oleje je nezbytná k popisu chování hydrodynamického ložiska. Pokud by hnací ústrojí motoru obsahovalo tlumič torzních kmitů, musel by být stanoven druhý element teploty, který by popisoval závislost tlumiče torzních kmitů na otáčkách motoru. Dodatečným vstupním parametrem pro výpočet ložiska je přívod tlaku oleje, který nejvíc ovlivňuje průtok oleje ložiskem. Musí být vytvořen jako výpočtově proměnný, odkazovat se na všechna ložiska tak, že bude možné změnit uživatelem všechna ložiska v modulu Standard Interface. Hlavních součástí hnacího ústrojí Montážní části rámu Během sestavování, nahradí ADAMS/Engine tyto části reálnými částmi rámu, které jsou obsaženy v jiné šabloně, nebo jsou tyto části připojeny k zemi. Dále byly vytvořeny tyto komponenty klikového ústrojí: Blok motoru Brno, 2008 31

Kliková hřídel Setrvačník Ojnice Píst Pístní čepy Řemenice Ložiska Vazba mezi pístem a vložkou válce motoru Senzor úhlu natočení klikového hřídele Síly od tlaku plynů Byly definovány tři síly od tlaku plynů, které působí mezi blokem motoru a písty. Amplitudy průběhu tlaku, které obsahuje datový soubor, jsou základem definice tlakové závislosti otáček motoru na úhlu natočení klikové hřídele. Síly od tlaku plynů jsou vypočítávány násobením tlaků s plochou pístu. Pro potřeby této práce byl použit datový soubor, který obsahoval změřený průběh tlaku z reálného vznětového řadového tříválcového motoru, který je znázorněný na obr. 7.8. Obr. 7.8 Průběh tlaku ve válci vznětového řadového tříválce Brno, 2008 32

Silentbloky (Engine Mounts) Předtím, než byly vytvořeny silentbloky, musely být vytvořeny proměnné parametry a souřadnicové systémy. Souřadnicové systémy definují polohu a orientaci silentbloků. Tyto souřadnicové systémy jsou parametricky proměnné a umožňují v modulu Standard Interface změnit polohu silentbloků. Posledním krokem v modulu Template Builder je nastavení komunikace mezi testovacím cyklem a subsystémem, tím je šablona kompletní. Na obr. 7.9 je zobrazena šablona modelu motoru, která vznikla podle skutečného motoru. Obr. 7.9 Šablona tříválce sestavená v modulu Template Builder Simulace běhu výpočtového modelu motoru probíhá ve výše uvedeném modulu Standard Interface. Zde získáváme výsledky ze simulačního průběhu modelu hnacího ústrojí motoru. Brno, 2008 33

Proto, aby byl model věrohodný, podával dobré výsledky a blížil se co nejvíce reálnému motoru, musely být každé součásti zadány potřebné parametry, jako momenty setrvačnosti, hmotnost, celkové rozměry, poloha těžiště apod. Tím byl získán velmi věrný model hnacího ústrojí. Reálný spalovací motor je roztáčen silami od tlaku plynů, ale v prostředí ADAMS/Engine je tento pohyb realizován pomocí momentu o určité velikosti, proto je nutné nastavit hodnotu tuhosti a tlumení spojky mezi klikovým ústrojím a pohonným mechanismem, abychom docílili konstantní hodnoty tohoto momentu. Hlavní pozornost u tohoto modelu, který je předmětem této práce, je věnována klikové hřídeli. U ostatních těles jsou zadány veškeré parametry, jako momenty setrvačnosti, hmotnost, geometrie modelu atd., ale tyto součásti byly řešeny jen jako tuhé, nebyly uvažovány jako pružná tělesa. ADAMS/Engine umožňuje u klikového mechanismu spalovacího motoru pracovat s třemi výpočtovými typy klikových hřídelí. Mezi těmito výpočtovými druhy hřídelí se lze velmi lehce přepínat prostřednictvím panelu klikové hřídele. Zde jsou obsaženy veškeré informace o klikové hřídeli jako název hřídele, o který výpočtový typ jde, geometrické údaje hřídele; počet protizávaží, jejich hmotnost a poloha; momenty setrvačnosti jednotlivých částí apod. Pro potřeby této práce byly momenty setrvačnosti, hmotnost a geometrie jednotlivých částí klikové hřídele zjištěny z CAD modelu a poté zapsány v ADAMS/Engine do panelu vlastností klikové hřídele. Existuje i možnost nechat defaultně nastavené hodnoty, tzn., že se nezadávají momenty setrvačnosti jednotlivých částí, ale je zadána pouze hustota materiálu a ADAMS si sám dopočítá podle zadané geometrie momenty setrvačnosti. Tato možnost defaultního nastavení je zvolena pouze u stanovení tuhosti a tlumení mezi jednotlivými částmi modelu klikové hřídele. V následujících kapitolách jsou popsány jednotlivé výpočtové typy modelů klikových hřídelí, které byly použity pro potřeby této práce. Brno, 2008 34

7.3 Model s tuhou klikovou hřídelí (rigid crankshaft) Obr. 7.10 3D model hnacího ústrojí s tuhou klikovou hřídelí Na obr. 7.10 je znázorněn trojrozměrný model s tuhou klikovou hřídelí. Výpočtový model klikové hřídele, která je uvažována jako tuhá, je znázorněná na obr. 7.11. Obr. 7.11 Model tuhé klikové hřídele v ADAMS/Engine [4] Brno, 2008 35

Zalomení jsou uvažována jako tuhá tělesa a jejich spojení je provedeno pomocí nehmotného tělesa, které nemá žádný moment setrvačnosti a ani žádnou geometrii, a dvou vazebních prvků. Z obr. 7.11 lze pozorovat, že jedna z vazeb (Hook/Universal) by dovolovala vzájemné natočení mezi zalomeními a hřídel by se tak chovala pružně, ale tento pohyb je zablokován pevnou vazbou (Fixed) a celá hřídel se pak chová jako tuhá. Výsledky s použitím tuhé hřídele: Už z podstaty modelu jsou možnými výsledky pouze síly na hlavních a klikových ložiscích U tohoto modelu klikové hřídele se ještě nestanovují tuhosti a tlumení mezi jednotlivými částmi klikové hřídele. Model, který je použit pro tuto práci obsahuje pouze informace z CAD modelu, tzn. geometrické rozměry, momenty setrvačnosti, polohy těžiště a hmotnosti jednotlivých částí klikového hřídele. 7.4 Model s torzně-pružnou klikovou hřídelí (torsion-flexible crankshaft) Obr. 7.12 3D model hnacího ústrojí s torzně-pružnou klikovou hřídelí Druhým modelem obr. 7.12 a obr. 7.13 je model s tzv. torzně pružnou klikovou hřídelí. Obě sousední zalomení uvažována opět jako tuhá a tato zalomení spojují dvě vazby a mezi nimi nehmotná součást bez geometrie a momentu setrvačnosti. Jedna vazba umožňuje vzájemný pohyb mezi zalomeními, v tomto případě dovoluje natočení zalomení vůči sobě a další vazba toto natočení do jisté míry omezuje. Tuhostí pružného vazebního prvku je Brno, 2008 36

reprezentována skutečná torzní tuhost mezi zalomeními. Tento model je svojí povahou podobný torznímu analytickému modelu uvedenému výše, protože z tohoto modelu lze dostat výstup torzního spektra klikového hřídele. Obr. 7.13 Model torzně pružné klikové hřídele v MBS [4] Výsledky, které lze získat použitím tuhé nebo torzně pružné klikové hřídele: Požadovaný točivý moment o Hlavní moment v krutu_1: Moment v krutu na levé straně zalomení o Hlavní moment v krutu_2: Moment v krutu na pravé straně zalomení o Úhel zkroucení_1: Úhel na levé straně zalomení o Úhel zkroucení_2: Úhel na pravé straně zalomení Požadované nominální napětí: o Hlavní napětí v krutu_1: Hlavní moment v krutu_1 dělený polárním momentem odporu čepu klikové hřídele o Hlavní napětí v krutu_2: Hlavní moment v krutu_2 dělený polárním momentem odporu čepu klikové hřídele Oba výše uvedené modely klikových hřídelí, tedy tuhá a torzně pružná, podávají v určitých případech podobné, ne-li stejné výsledky, jako např. průběh síly v ose x v závislosti na úhlu natočení klikové hřídele. Z výše uvedených výsledků obou výpočtových modelů klikových hřídelí také vyplývá, že napětí v krutu a úhel zkroucení lze získat jen z modelu torzně pružné, protože tuhá hřídel nedovoluje žádné vzájemné natočení sousedních zalomení. Brno, 2008 37

Tento model již vyžaduje stanovovat torzní tuhosti a tlumení mezi jednotlivými částmi klikové hřídele. V této práci byly zadány stejné parametry jako u modelu tuhé klikové hřídele a tuhosti a tlumení mezi jednotlivými částmi byly nastaveny defaultně, tzn., že ADAMS dopočítá tyto tuhosti a tlumení. 7.5 Model s klikovou hřídelí z prutových prvků (beam crankshaft) Obr. 7.14 3D model hnacího ústrojí s klikovou hřídelí z prutových prvků Obr. 7.14 představuje trojrozměrné znázornění hnacího ústrojí s klikovou hřídelí z prutových prvků. Na obr. 7.15 je typ modelu klikové hřídele, používané v ADAMS/Engine. Jedná se o model s prutovými prky. Jednotlivá zalomení klikové hřídele jsou nahrazena prutovými prky o jisté tuhosti. Tyto tuhosti jsou stanoveny z jednotlivých částí zalomení. Vlastnosti prutových prvků jsou popsány torzní a ohybovou tuhostí jednotlivých zalomení. Naladění těchto tuhostí je velmi problematické a je třeba stanovit dobře jednak tuhosti jednotlivých prvků a jednak i hmotnosti jednotlivých prvků tak, aby model podával dobré a věrohodné výsledky. Brno, 2008 38

Obr. 7.15 Model klikové hřídele z prutových prvků v MBS [4] Výsledky získané pomocí prutového modelu klikové hřídele: Požadovaný moment o Hlavní torzní moment_1: Torzní moment na levé straně zalomení spojovacího bodu mezi hlavním čepem a ramenem kliky o Hlavní torzní moment_2: Torzní moment na pravé straně zalomení spojovacího bodu mezi hlavním čepem a ramenem kliky o Ohybový moment ramena kliky_1: Ohybový moment na levém ramenu kliky zalomení klikové hřídele na středu prutového ramena kliky o Ohybový moment ramena kliky_2: Ohybový moment na pravém ramenu kliky zalomení klikové hřídele na středu prutového ramena kliky o Úhel zkroucení: Úhel zkroucení na zalomení požadované nominální napětí o hlavní torzní napětí_1: Hlavní torzní moment_1 dělený polárním momentem čepu klikové hřídele o hlavní torzní napětí_2: Hlavní torzní moment_2 dělený polárním momentem čepu klikové hřídele o Ohybové napětí ramene kliky_1: Ohybový moment_1 ramene kliky dělený momentem odporu průřezu ramene kliky o Ohybové napětí ramene kliky_2: Ohybový moment_2 ramene kliky dělený momentem odporu průřezu ramene kliky Požadované napětí ve smyku Brno, 2008 39

o Napětí ve smyku_1 ramene kliky: Boční síla na levém ramenní kliky zalomení klikové hřídele dělená příčným průřezem ramene kliky klikové hřídele o Napětí ve smyku_2 ramene kliky: Boční síla na pravém ramenní kliky zalomení klikové hřídele dělená příčným průřezem ramene kliky klikové hřídele Tento model už ze své podstaty dává jiné hodnoty než oba předchozí, takže např. jak je uvedeno u modelu torzně pružné nebo tuhé klikové hřídele, průběh síly v ose x v závislosti na úhlu natočení klikové hřídele je zcela odlišný a navíc nejen, že můžeme vyčíst průběh torzního napětí na jednotlivých zalomeních jako u torzně pružného modelu, ale můžeme získat i výsledky smykového a ohybového napětí na jednotlivých zalomeních klikové hřídele. Model klikové hřídele z prutových prvků také umožňuje stanovení tuhosti jednotlivých prutových prvků, z nichž jsou zalomení sestavena. Opět pro potřeby této práce zde byly použity stejné počáteční parametry jako u modelu tuhé klikové hřídele. Stejně jako u modelu torzně pružné hřídele i zde byla ponechána defaultně nastavená tuhost jednotlivých prutových prvků zalomení klikové hřídele, kdy ADAMS/Engine si tyto zbývající parametry stanoví sám. 7.6 Model s pružnou klikovou hřídelí (flexible crankshaft) Obr. 7.16 3D model hnacího ústrojí s poddajnou klikovou hřídelí Brno, 2008 40

Model pružné klikové hřídele umožňuje simulovat dynamiku pružného tělesa v prostředí MBS. Protože kliková hřídel je značně namáhaná součást klikového mechanismu, je zde důvod použít modelu poddajné klikové hřídele. Na obr. 7.16 je znázorněn poslední typ modelu klikové hřídele, který byl použit pro potřeby této práce. Nejprve byl vytvořen CAD model klikové hřídele v programu Pro/ENGINEER. Tento model byl následně importován do programu ANSYS. Postup tvorby modelu klikové hřídele je detailněji popsán výše a v této části práce se již tímto postupem práce nezabývá. Po vytvoření MNF souboru byl vytvořen klasický model hnacího ústrojí v ADAMS/Engine tvořeným tuhými tělesy. Poté byl do prostředí ADAMS načten ve vlastnostech hřídele soubor MNF. Hřídel byla modelována pouze s protizávažími, tudíž musely být v prostředí ADAMS přidány části jako řemenice a setrvačník, které jsou v tomto případě uvažovány jako tuhé. Při vkládání pružné klikové hřídele je třeba tuto hřídel správně polohovat, pokud už není jak CAD model a později i MKP model nastaven na souřadný systém, který je nastavený a použitý v ADAMS. Tato poloha hřídele se zajistí polohou uzlových bodů rozhraní (attachment points), které byly vytvořeny v MKP programu. Tyto uzlové body rozhraní se nachází v těžištích jednotlivých částí klikové hřídele. V okně vlastností klikové hřídele v ADAMS se zadají čísla prvního a posledního uzlového bodu rozhraní hlavního čepu a číslo uzlového bodu rozhraní prvního klikového čepu. 8 HYDRODYNAMICKÁ KLUZNÁ LOŽISKA Ložiska motorů jsou důležitou součástí motorů s vnitřním spalováním. Kliková hřídel spalovacího motoru je uložena v kluzných ložiscích. Jsou to v současné době nejpoužívanější ložiska ve spalovacích motorech, která jsou velmi namáhaná a jsou na ně kladeny vysoké nároky. Kluzná ložiska v dnešní době musí vykazovat životnost až do generální opravy motoru. Do kluzných ložisek je přiváděn tlakový olej pomocí mazacích kanálů v klikové hřídeli, tím vznikne mazací vrstva mezi hlavním čepem klikové hřídele a kluzným ložiskem. Při otáčení klikové hřídele v ložiscích vzniká mezi ložiskem a čepem hydrodynamická vrstva olejového filmu. Tato vrstva olejového filmu při běhu motoru ovšem není stálá a mění se podle zatížení od sil tlaku plynů a setrvačných sil částí klikového mechanismu. V této práci byl použit dvourozměrný HD model kluzného ložiska z databáze ADAMS/Engine. Dále zde bude ještě popsán trojrozměrný model (EHD) model kluzného ložiska. 8.1 Model kluzného ložiska v ADAMS/Engine Dynamické chování hydrodynamického (HD) ložiska je v MSC. ADAMS popsáno diferenciální Reynoldsovou rovnicí, která nemůže být v základním tvaru řešena analyticky. Při tvorbě HD ložiska lze využít dvou přístupů: Dvourozměrná metoda zanedbává natočení čepu v ložisku. Je zde použita empirická analytická rovnice. Tento přístup, který je podobný impedanční metodě, je velmi efektivní metoda k řešení výpočtového modelu hydrodynamického ložiska. Brno, 2008 41

Trojrozměrná metoda uvažuje natočení čepu v ložisku. Reynoldsova rovnice musí být řešena explicitně. Je nutné, aby simulace byla v rozumném rozsahu, musí se blokovat (potlačit) hydrodynamické řešení z dynamického řešení ADAMS/Solver. Proto tedy je Reynoldsova rovnice řešena před dynamickou analýzou jen pro několik provozních stavů ložiska (okolo 60 excentricit a 60 úhlů vyosení). Výsledky jsou ukládány do hydrodynamické databáze reprezentující bezrozměrné reakce ložiska (síly a souřadnice silových vazeb) a stavy (excentricita a úhel natočení čepu). Během dynamického řešení podprogram ADAMS/Solver umožní přístup k databázi a provede nezbytné analytické kroky (transformace souřadnic atd.). Tak jako lze použít pružné klikové hřídele v MBS, je možné použít 3D pružných hydrodynamických ložisek (flexible 3D hydrodynamic bearing). Pružné 3D HD ložisko se skládá ze tří rovin, každá má jeden uzlový bod v těžišti a čtyři obvodové body. Toto uspořádání uzlových bodů ve třech rovinách zajišťuje natočení čepu vlivem rozdělení tlaku oleje. Zhodnocení vlastností trojrozměrného pružného HD ložiska jsou tyto: Natočení čepu v ložisku vede k nesymetrickému rozložení tlaku oleje Výsledná síla působí mimo těžiště ložiska Reakce na vychýlení čepu v ložisku je vždy reprezentována silovou dvojicí Nevyskytují se zde žádné síly od napětí Obr. 8.1 Nahrazení skutečného rozložení tlaku ekvivalentní silovou soustavou [4] Na obr. 8.2 je znázorněn 3D model kluzného HD ložiska použitého ve virtuálním motoru. Brno, 2008 42

Obr. 8.2 3D model kluzného HD ložiska použité v ADAMS [13] Obě metody, jak dvourozměrná nebo trojrozměrná, byly už velmi úspěšně použity ve vývojovém procesu motorů a byly velmi úspěšně ověřeny. Možné výsledky hydrodynamických ložisek: Síly o Síly v ose x a y (F x a F y ) obě jsou radiální síly o Moment v ose x a y (M x a M y ) oba momenty jsou vyvolány vyosení ložiska o Třecí moment o Průtok oleje průtočné množství oleje Rychlosti Posuvy o Rychlost v ose x a y relativní výstředné rychlosti mezi vnitřní částí ložiska a hlavním čepem v obou radiálních směrech o Efektivní výstředná rychlost o Relativní úhlová rychlost o Přírůstek úhlové rychlosti o Efektivní hydrodynamická úhlová rychlost o Excentricita v obou radiálních směrech E x a E y Brno, 2008 43