PROJEKČNÍ NÁVRH DEMONSTRÁTORU MOTOCYKLOVÉHO MOTORU
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Nikola Stripačuková
Vedoucí práce: Ing. Pavel Brabec, Ph.D.
Liberec 2019
Master thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering
Study branch: 2302T010 – Machine and Equipment Systems
Author: Bc. Nikola Stripačuková
Supervisor: Ing. Pavel Brabec, Ph.D.
Liberec 2019
Tento list nahraďte
originálem zadání.
Prohlášení
Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Ráda bych poděkovala vedoucímu diplomové práce Ing. Pavlu Brabcovi, PhD. za cenné rady a připomínky při tvorbě a Ing. Martinu Molcarovi za praktický přístup.
Také děkuji své rodině, partnerovi a přátelům za podporu během celého studia.
Anotace
Cílem diplomové práce je vytvoření projekčního konstrukčního návrhu jednoválcového technologického demonstrátoru o objemu 150 cm3. Teoretická část je tvořena rešerší současného stavu trhu a oblasti pouţívaných motocyklových spalovacích motorů kategorie supersport, jejíţ motory se vyznačují zdvihovým objemem do 600 cm3. Praktická část se zabývá konstrukčním návrhem jednoválcového demonstrátoru, zjednodušeným termodynamickým výpočtem v softwaru Wave a vytvořeným výpočetním programem pro určení silových poměrů v klikovém mechanismu. V závěru praktické části je přiloţena výkresová dokumentace demonstrátoru.
Klíčová slova: návrh, demonstrátor, pístový spalovací motor, motocykl, konstrukce, výpočet
Annotation
The aim of this diploma thesis is to create a design of a single-cylinder technological demonstrator with a volume of 150 cm3. The theoretical part consists of a survey of the current state of the market and of the range of used motorcycle engines of the supersport category, whose engines are characterized by a volume of 600 ccm. The practical part deals with the design of a single-cylinder demonstrator, simplified thermodynamic calculation in the Wave software and control calculations of the main parts and forces of the crank mechanism. At the end of the practical part is attached drawings documentation of the demonstrator.
Keywords: design, demonstrator, piston engine, motorcycle, construction, calculation
7
Obsah
Úvod ... 11
1. Rešerše současného stavu kategorie supersport ... 12
1.1 Honda Motor, Co. Ltd. ... 12
1.2 Yamaha Co. Ltd... 13
1.3 Kawasaki ... 14
1.4 Suzuki Co. Ltd. ... 14
1.5 Technické předpisy potřebné pro homologaci ... 16
1.5.1 FIM ... 16
1.5.2 Dorna Sports, S. L... 19
2. Konstrukční návrh demonstrátoru ... 22
2.1 Hlavní parametry ... 22
2.2 Termodynamický výpočet oběhu motoru pomocí softwaru Wave Build 2016.1 ... 23
2.2.1 Tvorba simulačního modelu ... 23
2.2.2 Výsledky výpočtu ... 24
2.3 Popis zvolené konstrukce ... 27
2.3.1 Klikový mechanismus ... 27
2.3.2 Rozvodový mechanismus ... 32
2.3.3 Hlava válce ... 37
2.3.4 Blok motoru a kliková skříň ... 39
2.3.5 Mazací soustava ... 41
2.3.6 Chladicí soustava ... 43
3. Zjednodušené kontrolní výpočty ... 46
3.1 Popis výpočetního programu ... 46
3.2 Vstupní hodnoty pro výpočet ... 50
3.3 Silové a kinematické účinky ... 51
3.4 Zjednodušený výpočet pístního čepu metodou Kolbenschmidt ... 58
3.5 Zjednodušený výpočet bezpečnosti klikové hřídele ... 61
4. Tvorba výkresové dokumentace ... 66
5. Závěr ... 67
Přílohy: ... 71
8
Seznam obrázků
Obr. 1 Honda CBR600RR pro rok 2017 [3] ... 13
Obr. 2 Yamaha YZF R6 pro rok 2017 [6] ... 13
Obr. 3 Kawasaki Ninja 650 KRT Edition pro rok 2017 [10]... 14
Obr. 4 Suzuki GSX-R600 pro rok 2017 [12] ... 15
Obr. 5 Model pro simulaci v softwaru Wave Build 2016.1 ... 23
Obr. 6 Ukázka zadaných vstupních hodnot jako proměnných parametrů ... 24
Obr. 7 Průběh výkonu v závislosti na otáčkách motoru ... 25
Obr. 8 Průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách motoru ... 25
Obr. 9 p-V diagram spalovacího motoru ... 26
Obr. 10 Pohledy na píst ... 27
Obr. 11 Pohled na detail pístních krouţků ... 28
Obr. 12 Detail na uloţení pístního čepu v pístu ... 28
Obr. 13 Pístní čep ... 29
Obr. 14 Sestava ojnice (vlevo), rozklad sestavy (vpravo) ... 30
Obr. 15 Detail horního oka ojnice s mazacím kanálkem ... 31
Obr. 16 Kliková hřídel ... 31
Obr. 17 Pohled na zvýrazněné mazací kanálky ... 32
Obr. 18 Sací a výfukové ventily ... 32
Obr. 19 Loţisková klec ... 33
Obr. 20 Pohled na zvýrazněné mazací kanálky ... 34
Obr. 21 Vačková hřídel pro sací ventily ... 34
Obr. 22 Horní napínák ... 35
Obr. 23 Přední napínák... 35
Obr. 24 Sestava zadního napínáku ... 36
Obr. 25 Detail na jednotlivé části zadního napínáku... 36
Obr. 26 Rozvodový mechanismus ... 37
Obr. 27 Hlava válce, pohled od pístu ... 38
Obr. 28 Řez hlavou válce, detail na sací a výfukové kanály ... 38
Obr. 29 Hlava válce, pohled na uloţení vačkových hřídelí ... 39
Obr. 30 Blok motoru ze strany olejového čerpadla ... 40
Obr. 31 Blok motoru ze strany vodního čerpadla ... 40
Obr. 32 Spodní část klikové skříně ... 41
Obr. 33 Olejové čerpadlo ... 42
Obr. 34 Olejový filtr ... 42
Obr. 35 Pohled na mazací soustavu demonstrátoru v CAD modelu ... 43
Obr. 36 Vodní čerpadlo ... 44
Obr. 37 Pohled na chladicí soustavu demonstrátoru v CAD modelu ... 44
Obr. 38 Kompletní sestava, pohled od vodního čerpadla ... 45
Obr. 39 Kompletní sestava, pohled od rozvodového mechanismu ... 45
Obr. 40 Úvodní list výpočetního souboru ... 46
Obr. 41 Ukázka zadaných hodnot pro výpočet v bílých polích ... 47
Obr. 42 Ukázka tlačítek umístěných na kartě Vstupní hodnoty ... 47
Obr. 43 Ukázka grafu ... 48
Obr. 44 Ukázka bílého pole pro vyplnění a tlačítka Graf 1 ... 48
Obr. 45 Ukázka grafu pro odečtení koeficientů a jeho tlačítek ... 49
Obr. 46 Ukázka grafu se zobrazeným průsečíkem z karty Výpočet pístního čepu ... 49
9
Obr. 47 Nákres pro výpočet kinematiky pístu a ojnice [20] ... 53
Obr. 48 Nákres pro výpočet ovalizace a průhybu pístního čepu... 59
Obr. 49 Nákres pro výpočet klikové hřídele [21] ... 61
Seznam grafů
Graf 1 Průběh střední pístové rychlosti ... 54Graf 2 Průběh dráhy pístu... 54
Graf 3 Průběh rychlosti pístu ... 55
Graf 4 Průběh zrychlení pístu ... 55
Graf 5 Průběh úhlové rychlosti ojnice ... 56
Graf 6 Průběh úhlového zrychlení ojnice ... 56
Graf 7 Průběh celkové síly působící na píst ... 57
Graf 8 Průběh celkového momentu od posuvných hmot ... 57
Graf 9 Průběh tlaku ve válci ... 58
Graf 10 Dovolená ovalizace pístního čepu ... 60
Graf 11 Dovolený průhyb pístního čepu ... 60
Seznam tabulek
Tab. 1 Porovnání vybraných parametrů motocyklů v kategorii supersport [13] ... 15Tab. 2 Nutné podmínky agregátů ... 16
Tab. 3 Stručný přehled parametrů spalovacího motoru ... 22
Tab. 4 Vstupní hodnoty pro výpočet ... 50
Tab. 5 Výstupní hodnoty z výpočtového modelu v programu Wave Build ... 51
Tab. 6 Silové a momentové veličiny ... 52
Tab. 7 Kinematické veličiny ... 52
Tab. 8 Hodnoty pro výpočet základních parametrů motoru ... 53
Tab. 9 Hodnoty pro výpočet ovalizace a průhybu pístního čepu ... 58
Tab. 10 Vzorce pro výpočet ovalizace a průhybu pístního čepu... 59
Tab. 11 Výsledné vypočtené a odečtené hodnoty (viz. příloha Výstupní protokol) ... 63
10
Seznam zkratek
cm3 Kubický centimetr
MKP Metoda konečných prvků
apod A podobně
AM Skupina řidičského oprávnění
A1 Skupina řidičského oprávnění
A2 Skupina řidičského oprávnění
A Skupina řidičského oprávnění
Moto 2 Kategorie mistrovství světa silničních motocyklů
FIM Mezinárodní motocyklová federace
SBK Superbike
Co. Ltd. Označení právní formy společnosti
SL Sociedad Limitada, označení právní formy společnosti
ECU Řídící vstřikovací jednotky
EGR Recirkulace výfukových plynů
MMC Kovové matricové kompozity
FRM Vláknem zesílené kovy
K Kelvin, jenotka teploty
Moto GP Kubatura silničních motocyklů
11
Úvod
Na počátku vzniku a vývoje motocyklů byla pouţívána koncepce bicyklu spojeného v rámu se spalovacím motorem. Postupem času se z motocyklů stal velmi populární dopravní prostředek a výrobci tak na jeho vývoj vynákladali velké usilí, aby uspokojili poţadavky trhu.
V současnosti je v oblasti vývoje, prodeje a pouţití v nabídce nespočet různých typů motocyklů od velké skupiny výrobců. Tyto typy motocyklů mají různé moţnosti zařazení do jednotlivých kategorií, ať uţ podle pouţití (cestovní, sportovní, terénní apod.) či dle legislativy (AM, A1, A2, A). Do kategorie sportovních silničních motocyklů spadá i kategorie motocyklů do 600 ccm, tedy motocykly s označením supersport. Tyto motocykly se vyznačují aerodynamickou přední a boční kapotáţí, vysokootáčkovým spalovacím motorem a vysokou maximální rychlostí.
Tento typ motocyklů je výrobci vyvíjen a prodáván nejen k osobnímu vyuţití při volnočasových aktivitách, ale je vyuţíván pro závodní účely jednotlivých výrobních továren a jejich většinou sponzorovaných závodních týmů. Kvůli překonávání rychlostních i časových limitů vznikly soutěţní kategorie na úrovni státních, kontinentálních i světových soutěţí.
Bezesporu nejpopulárnější a zároveň nejprestiţnější je Mistrovstní světa silničních motocyklů kategorie Moto 2 pod vedením společnosti Dorna Sports a Mistrovství světa supersportů pořádaným Mezinárodní motocyklovou federací (FIM) a Dorna SBK Organization. Tyto šampionáty se promítají i v národních a mezinárodních soutěţích.
Rešerše tohoto typu motocyklů se zabývá jak vývojem kategorie Moto 2, tak i paralelním šampionátem supersportů.
Diplomová práce je zaměřena na vytvoření návrhu jednoválcového technologického demonstrátoru motocyklového motoru. Koncept byl navrţen podle reálných rozměrů čtyřválcového spalovacího motoru. Konstrukční návrh obsahuje zjednodušené výpočty a simulace, vytvořený trojrozměrný model a výkresovou dokumentaci vybraných částí.
Cílem diplomové práce je vytvořit konstrukční návrh jednoválcového spalovacího motoru, který svými vstupními i výstupními parametry odpovídá řadovému čtyřválcovému agregátu.
12
1. Rešerše současného stavu kategorie supersport
Výrobou motocyklů spadajících do kategorie supersport se dnes zabývá několik společností. Mnoţství prodaných motocyklů daných značek je do jisté míry ovlivňováno výsledky značek v soutěţích. Tudíţ se jednotlivé modely pro běţné uţivatele musí upravovat podle závodních speciálů.
Pro rešerši bylo vybráno několik výrobců motocyklů, kteří se počty prodaných modelů řadí mezi největší na prodejním trhu. Uvedené modely motocyklů jsou vybrány v období cca od roku 1990 aţ do současnosti.
1.1 Honda Motor, Co. Ltd.
Tento japonský gigant se řadí mezi nejpopulárnější výrobce a prodejce motocyklů na světě.
Vlajkovou lodí je jiţ řadu let model CBR600 (City Bike Racing), který se vyrábí jiţ od konce 80. let 20. stol. Na závodních okruzích neměl velkou konkurenci díky své nízké hmotnosti a silnému motoru. Na začátku devadesátých let vznikl model CBR600F s větším vrtáním válce a menším zdvihem oproti předchozímu modelu. Objevila se však konkurence od firem Kawasaki a Yamahy. V roce 1997 se tak objevil novější model s výkonem přes 78 kW, tedy o více neţ 11 kW vyšší. Na přelomu tisíciletí byl představen znovu model s označením 600F, který jiţ měl vrtání válce a zdvih dnešní podoby. Od roku 2003 je zaveden model CBR600RR, který má lehčí setrvačník a změněné vačky pro lepší závodní naladění. Od standardního modelu 600F se na první pohled liší zdvojeným sedadlem řidiče a spolujezdce. Tento typ se vyráběl aţ do roku 2011, kdy Honda začala opět vyrábět model 600F, který měl jiný podvozek. Před čtyřmi lety byl představen nejnovější model CBR600RR, který však od letošního roku jiţ nesplňuje emisní a hlukové normy Euro 4. Výrobce tak oznámil definitivní konec prodeje na evropském trhu, který přesouvá do zámoří. [1],[2]
13
Obr. 1 Honda CBR600RR pro rok 2017 [3]
1.2 Yamaha Co. Ltd.
Japonský konkurent Hondy má ve svém portfoliu motocyklů do 600 ccm především modely YZF R6 a FZR 600. Model FZR 600 se vyráběl od roku 1989 a měl rám typu Deltabox.
V polovině devadesátých let vznikla modifikace FZR 600 R s novým ocelovým rámem a motorem o výkonu 73 kW. V roce 1999 ho nahradil typ YZF R6. [4], [5]
Typ R6 s karburátorem se začal vyrábět v roce 1999 a dosahoval výkonu přes 89 kW.
V roce 2002 karburátor nahradilo vstřikování paliva. Rok 2006 byl pro tento model přelomový, neboť byl vybaven motorem o výkonu přes 94 kW. S tímto typem si Yamaha loni představila nový hořčíkový agregát s titanovými ventily, vyšším kompresním poměrem a lehčími kovanými písty. [7], [8]
Obr. 2 Yamaha YZF R6 pro rok 2017 [6]
14
1.3 Kawasaki
Podobně jako Honda a Yamaha, tak i Kawasaki má sídlo v Japonsku a motocykly vyrábí jiţ od roku 1953. Nejikoničtějším modelem kategorie do 600 ccm této značky je ZX-6R Ninja, která byla poprvé představena roku 1995 a vyrábí se dodnes. Na konci roku 2002 Kawasaki představila model se zdvihovým objemem 636 ccm., aby obstála v konkurenci Hondy, Yamahy a Suzuki. V roce 2003 byly karburátory vyměněny za vstřikování. Roku 2009 byl model designově změněn tak, aby se podobal motocyklu ZX-10R, který má zdvihový objem 1000 ccm. Před třemi lety začala společnost Kawasaki znovu vyrábět motocykl s objemem 636 ccm, avšak v nabídce má stále i klasickou verzi o zdvihovém objemu 600 ccm. [9]
Obr. 3 Kawasaki Ninja 650 KRT Edition pro rok 2017 [10]
1.4 Suzuki Co. Ltd.
Japonská firma Suzuki vyrábí svůj supersportový model GSX-R600, který měl stejné parametry jako větší typ GSX-R750, od roku 1992. O dva roky později byla výroba modelu ukončena. Roku 1997 byl změněn design, který se pouţíval následující tři roky. Na přelomu tisíciletí došlo k nahrazení karburátoru vstřikováním paliva. Za další čtyři roky přišel výrobce na trh s novinkou v podobě titanových ventilů či 32 bitové elektronické řídící jednotky. Od roku 2014 se základní parametry hnacího agregátu nezměnily, vývojem prochází zejména kapotáţ.
[11]
15
Obr. 4 Suzuki GSX-R600 pro rok 2017 [12]
V současné době existují pouze tito výrobci motocyklů typu supersport se zdvihovým objemem 600 ccm. Ostatní výrobci, např. italská Ducati, MV Agusta, či britský Triumph, vyrábějí motocykly s pohonným agregátem o větším zdvihovém objemu a menším počtu válců, a přesto také spadají podle regulí Mezinárodní motocyklové federace do kategorie supersport.
Tab. 1 Porovnání vybraných parametrů motocyklů v kategorii supersport [13]
Motocykl Uspořádánív álců
Zdvihový objem (ccm)
Max.
točivý moment
(Nm)
Max.
Výkon (kW)
Vrtání (mm)
Zdvih (mm)
Honda CBR600RR Ř4 599 66 87,6 67 42,5
Yamaha YZF-R6 Ř4 599 67,5 90,1 67 42,5
Kawasaki ZX R6-
Ninja Ř4 636 71 94,4 67 45,5
Suzuki GSX R-600 Ř4 599 69,5 91,2 67 42,5
Triumph Daytona
675R Ř3 675 74 93,4 76 49,6
MV Agusta F3 675 Ř3 675 71 93,4 79 45,9
16
1.5 Technické předpisy potřebné pro homologaci
V současnosti existuje mnoho silničních motocyklových šampionátů. Na národních úrovních je ve většině případů organizují menší svazy. V České republice to je Autoklub ČR, který sjednocuje dobrovolníky se zájmem o motorismus a který je členem několika nadnárodních motocyklových organizací. Dalším orgánem je Českomoravská asociace motocyklového sportu, která podobně jako Autoklub ČR sdruţuje zájemce o motocyklový sport, kteří usilují o jeho rozvoj a propagaci nejen na území ČR. [14], [15]
Na světové úrovni těmto spolkům odpovídá Mezinárodní motocyklová federace a společnost Dorna, které jsou spolu v těsné spolupráci. Obě společnosti zaštiťují světové šampionáty, ať uţ Mistrovství světa silničních motocyklů (Moto GP) či Mistrovství světa superbiků (WSBK).
1.5.1 FIM
Mezinárodní motocyklová feredace (FIM) je mezinárodní sportovní federace zaloţená roku 1904 v Paříţi, odkud se v roce 1959 přesunula do Švýcarska. FIM v čele s prezidentem Vitem Ippolitem z Venezuely zaštiťuje závody na přírodních okruzích (road racing), motokros, trail, enduro a okruhové závody. Pro všechny tyto disciplíny platí dané předpisy, které závodník, tým i motocykl musí bezpodmínečně splňovat.
Stručný popis technických regulí podmiňujících možnost účasti motocyklů v závodech kategorie supersport:
Předpisy technických parametrů jsou velmi obsáhlé a zahrnují v sobě parametry pro všechny části motocyklu. V tabulce 2 jsou vybrány a stručně popsány nutné podmínky pro pohonný agregát a jeho nejbliţšší příslušenství.
Tab. 2 Nutné podmínky agregátů
Zdvihový objem Počet pracovních
oběhů Počet válců Minimální
hmotnost
od 400 do 600 ccm 4 4 161 kg
od 500 do 675 ccm 4 3 161 kg
od 600 do 750 ccm 4 2 161 kg
Hodnoty vrtání a zdvihu musí být homologované a jejich změna není povolená.
Pohonný agregát musí být atmosférický, ne přeplňovaný. Ke sníţení rozdílů mezi jednotlivými
17
motocykly mohou být pouţity některé změny, např. restriktor. Jejich aplikace však musí schválit speciální komise, aby byly zajištěny stejné podmínky všech motocyklů. Tolerance minimální hmotnosti není přípustná. Všechny motocykly musí pouţívat jako palivo bezolovnatý benzín. Týmy mohou pouţít pneumatiky pouze od oficiálního dodavatele a nesmí si je mezi sebou vyměňovat.
Počet motorů, které mohou být pouţity během závodní sezony, je 6 (Mistrovství světa) nebo 4 (Mistrovství Evropy).
Původní homologovaný systém vstřikování paliva musí být pouţit bez jakýchkoliv modifikací. Směs paliva se vzduchem musí projít přes těleso škrticí klapky. Elektronicky řízené ventily (téţ ride-by-wire) mohou být pouţity pouze v případě, ţe je řídící jednotka tímto softwarem vybavena. Všechny bezpečnostní systémy od výrobce nesmí být změněny.
Hlava válců musí odpovídat homologaci. Svařování, obrábění či úprava ventilového prostoru a okolí vačkových hřídelí není povoleno. Modifikace sacích a výfukových kanálů úběrem či přídavkem materiálu je moţná podle jejich tvaru. Také je povoleno povrchové broušení hlavy válce. Originální homologovaná vodítka ventilů mohou být zkrácená nebo modifikovaná, ale pouze na sací nebo výfukové straně kanálu, ne na straně upevnění pruţin.
Spalovací komora můţe být leštěna. Změna tvaru originálních ventilových sedel je přípustná.
Kompresní poměr je libovolný, ale spalovací komora se můţe měnit pouze odebráním materiálu. Je zakázáno přidávat jakýkoliv materiál do hlavy válců. Vahadla ventilů, podloţky, zdvihátka a samotné ventily musí zůstat beze změny. Ventilové pruţiny mohou být modifikovány, ale jejich počet musí být zachován. Také opěrné misky ventilových pruţin mohou být změněny, avšak jejich hmotnost musí zůstat stejná či vyšší.
Pohon vačkové hřídele a maximální zdvih vačky nesmí být změněn. Při technické kontrole se u přímého pohonu měří zdvih vačky, u nepřímého pohonu (tedy s vahadly) se měří zdvih ventilu. Řetězová nebo ozubená kola a napínací zařízení řetězu mohou být změněné.
Válce musí být namontovány dle homologace. Povrch těsnění hlavy válců můţe být opracován, aby umoţnil nastavení kompresního poměru, či zabroušen kvůli zvlněnému povrchu válce. Povrchová úprava vnitřku válce nesmí být změněna.
Písty, pístní čep, ojnice, kliková hřídel, pojistné krouţky ani pístní krouţky, které musí být namontovány všechny, nesmějí být modifikovány, leštění ani odlehčení není povoleno.
Kliková skříň také nemá povolené ţádné změny v montáţi. Je zakázáno přidat čerpadlo pro vytvoření podtlaku.
18
Boční kryty klikové skříně a převodovky mohou být obměněny, ale pouze se stejnou či vyšší odolností vůči nárazu a hmotností. K upevnění krytů lze pouţít titanové šrouby. Všechna pouzdra motoru, která obsahují olej a která mohou být při nárazu v kontaktu s vozovkou, musí být dvojnásobně chráněny. Sekundární kryt musí pokrýt alespoň třetinu původního krytu a nesmí mít ostré hrany, které by mohly poškodit povrch trati. Kovové materiály, např. hliníkové slitiny a nerezové oceli, či kompozity, nejsou povoleny. Tyto kryty musí být připevněny minimálně třemi šrouby. Technická přejímka má pravomoc odmítnout jakoukoliv krytku nesplňující tyto bezpečnostní předpisy.
Na celou závodní sezonu je povoleno vyuţít pouze jednoho převodového ústrojí, ve kterém mohou být libovolné převodové poměry. Tyto převody musí být stanoveny ještě před začátkem sezony. Počet převodových stupňů a primární kolo musí zůstat zachováno.
Konstrukce a volba materiálu není předepsaná. Není moţné během závodu měnit převodovku.
Pokud není jiného řešení, musí se vyměnit i motor. Je moţno pouţít systém Quick-shift (rychlořazení). Převodová hřídel musí zůstat stejná, ale materiál je moţno pouţít jiný. Řadící válec můţe být leštěný či jinak povrchově upraven. Řadící vidličky nemusí být původní, ale je přikázáno, aby spojovala stejná ozubená kola jako vidličky původní. Řetězová kola mohou být změněna. Kryt řetězu můţe být sejmut.
Druh spojky (mokrá nebo suchá) a její způsob přenosu musí odpovídat homologaci.
Třecí lamely a pruţiny mohou být změněny. Spojkový koš také musí být podle původní homologace, ale je moţné ho zesílit. Vnitřní sestavu spojky lze obměnit součástmi z druhovýroby.
Olejové čerpadlo lze modifikovat, ale upevňovací body musí zůstat na stejných místech.
Vodní čerpadlo není moţné vyměnit. Olejové potrubí, které lze upravit či vyměnit, musí mít kovovou vyztuţenou konstrukci.
V chladiči oleje smí cirkulovat jako chladící médium pouze voda. Náhradní díly pro chladič mohou být pouţity, ale jejich umístění musí odpovídat původní homologaci. Také nesmí zasahovat do hlavního rámu nebo aerodynamických krytů. Potrubí a nádrţ chlazení lze upravovat. Doplňkové chladiče jsou zakázány. Ventilátor chladiče můţe být modifikován, vyměněn nebo odstraněn. Chladič oleje nesmí být připevněn na nebo nad zadním blatníkem.
Sací komora (airbox) nemá povoleny ţádné modifikace. Prvek zajišťující vzduchovou filtraci můţe být vyměněn či odstraněn, výpustě musí být utěsněny. Všechny motocykly musí mít uzavřený odvzdušňovací systém. Olejová potrubí musí být vzájemně propojena a mohou procházet skrz olejovou nádrţ. Pokud jsou pouţity jiné trubky, musí se připojit k původním neupraveným otvorům vzduchového filtru. K airboxu můţe být připojena tepelná ochrana.
19
Palivové čerpadlo a regulátor tlaku paliva musí zůstat v homologované podobě. Taktéţ tlak paliva se nesmí měnit. Vedení paliva z nádrţe aţ do vstřikovačů můţe být jiné neţ původní, ale jeho umístění musí být na bezpečném místě, kde se během případné havárie nepoškodí. Je moţné přidávat palivové filtry.
Výfukové potrubí, tlumič hluku a upevňovací prvky mohou být modifikovány či kompletně vyměněny. Dle regulí je zakázáno mít na motocyklu katalyzátor. Počet tlumičů výfuku a jejich umístění musí být stejné jako u původního homologovaného motocyklu.
Z bezpečnostních důvodů hrany výstupu výfukového potrubí musí být zaobleny. Tepelná ochrana, kromě místa u jezdcovy nohy a oblasti styku kapotáţe s výfukovým potrubím, není dovolena. Hlukový limit pro kategorii supersport je 100 dB. [16], [17]
1.5.2 Dorna Sports, S. L.
Společnost Dorna Sports, S.L. je od roku 1992 drţitelem komerčních a televizních práv pro Mistrovství světa silničních motocyklů známém pod označením MotoGP. Byla zaloţena v roce 1988 jako mezinárodní společnost pro management a marketing sportu. Ředitelství v čele s Carmelem Ezpeletou sídlí ve španělském Madridu, ale po celém světě má několik poboček.
V historii mistrovství světa silničních motocyklů se objevilo několik závodních kategorií. V současné době je jednou z kategorií Moto2, která v roce 2010 nahradila předchozí kubaturu dvoudobých motocyklů o zdvihovém objemu 250 ccm.
Stručný popis technických regulí podmiňujících možnost účasti motocyklů v závodech kategorie Moto2:
Pohonné agregáty mohou pracovat pouze ve čtyřdobém reţimu s vratným pohybem pístu. Průřez kaţdého válce motoru musí být kruhový s menším neţ 5% rozdílem mezi dvěma měřenými body. Agregát musí být pouze atmosférický. Zdvihový objem se určí ze zdvihového objemu válce násobený počtem válců. V hodnotách výkonu, který se měří při pokojové teplotě, nejsou povoleny ţádné tolerance.
V motocyklu můţe být pouţita pohonná jednotka pouze od oficiálního dodavatele, který zároveň zajišťuje funkci, údrţbu a logistiku všech agregátů. Ten také můţe technické parametry a součásti motorů po dohodě jakkoliv změnit. Jedná se především o velmi namáhané komponenty. Motory jsou týmům poskytovány náhodným výběrem. Všechny motory musí mít na dynamometru naměřen stejný výkon podle standartních podmínek. Rozsah tolerance je stanoven pořadatelem a dodavatelem. Kaţdý agregát má bezpečnostní plomby, které mechanici týmů nesmí poškodit. Tým můţe provádět údrţbu dílů, které nezahrnují odstranění bezpečnosti
20
těsnění, tedy výměnu oleje apod. Ostatní údrţbu provádí oficiální dodavatel agregátů. V případě poruchy nebo poškození motoru se další agregát týmu poskytne na pokyn technického ředitele.
Nové technologie, např. materiály, konstrukce hlavy válců, ventilů apod., jsou vítány, pouze pokud dlouhodobě sníţí náklady.
Závodní tým můţe poţádat o výměnu motoru z důvodu nestandartního výkonu, technický ředitel po poradě s ředitelstvím závodu výměnu motoru schválí. Pokud technický ředitel neshledá problém s motorem, tým můţe písemně s poplatkem poţádat o náhradní agregát.
Dodavatel pro zajištění spolehlivosti a výkonu nedoporučuje ţádné změny v motoru.
Tyto poloţky mohou být modifikované:
- chladící potrubí – stejný vnitřní průměr jako originální díl - úsek palivového potrubí mezi čerpadlem a vstřikovači
Některé externí součásti motoru není moţné modifikovat ani odstranit. Technický ředitel však můţe dát souhlas k jejich výměně důsledkem poruchy či poškození. Jedná se o tyto komponenty:
- vodní čerpadlo
- chladič oleje a olejový filtr – další chladiče oleje nejsou povoleny - snímače tlaku oleje a teploty vody
- snímač výstupních otáček převodového ústrojí
- elektrické kabely a konektory, které jsou dodávané jako součást motoru
Konstrukce a design chladicího systému si mohou závodní týmy zvolit vlastní za předpokladu, ţe jsou zajištěny provozní parametry stanovené oficiálním dodavatelem.
Pohonný agregát můţe být pouţit pouze na oficiálních akcích kategorie Moto 2, coţ jsou oficiální testy a závody. Organizátoři mohou poţadovat vrácení motorů po ukončení některých akcí.
Povolená jsou pouze elektronická zapalování a palivové řídící vstřikovací jednotky (ECU) poskytované oficiálním dodavatelem. V oblasti hardware a software není dovoleno je modifikovat. Vstřikovače a zapalování můţe být pouţito pouze originální, s výjimkou rychlořazení (quickshifter), které však musí být dodáno od jenoho ze seznamu moţných dodavatelů. ECU mohou být pro oficiální akce rozděleny do jednotlivých týmů a po skončení musí být vráceny na kontrolu či přerozdělení do jiných týmů. Pouţití jiných typů senzorů motoru musí být předem schváleno technickým ředitelem.
21
Palivový systém musí zůstat stejný s výjimkou těchto prvků:
- palivový hladinoměr můţe být odstraněn
- konstrukce a design palivové nádrţe je zcela v reţii týmu Není dovoleno měnit palivovou hadici.
Pro zajištění správného výkonu motoru oficiální dodavatel nedoporučuje provádět na airboxu jakékoliv změny. Změny jsou povoleny pouze na:
- sacím potrubí v oblasti před vzduchovým filtrem, které můţe být modifikováno tak, aby vyhovovalo jednotlivým konstrukcím podvozku
- sací komoře, která po změně či kompletním nahrazením musí odpovídat původnímu objemu homologováné součásti
Původní čidlo teploty vzduchu musí být namontováno tak, aby jeho poloha odpovídala homologované.
Řídící škrticí klapka musí být být ovládán výhradně mechanickými prostředky (rukojeť a lanko) a provozován pouze jezdcem. Není povoleno ţádné přerušení tohoto mechanického spojení ani přidání dalšího zařízení.
Výstup výfukového potrubí nesmí zasahovat za linii vedoucí vertikálně přes okraj zadní pneumatiky. Z důvodu vyšší bezpečnosti je nutné výstup výfuku opatřit zaoblenou hranou.
Variabilní délka potrubí a recirkulace výfukových plynů (EGR) není povolena. Design a konstrukce potrubí jsou libovolné, musí ale splňovat uspořádání 4 do 2 do 1.
Pouţití hydraulických či pneumatických systémů není povoleno, pouze s výjimkami:
- hydraulické ovládání rukou a nohou (brzda a spojka) - olejové či vodní čerpadlo pro mazání či chlazení
Pouţití mazacího oleje k jinému účelu a proměnné časování ventilů není dovoleno.
Dle technických regulí je moţné pouţít převodové ústrojí se šesti převodovými stupni.
Dvojitá spojka (DSG) a plynule měnitelný převod (CVT) není povolena. Při kontrole či vrácení motoru je nutné, aby se spojka dala kompletně odmontovat.
Základní materiálová struktura klikové a vačkové hřídele musí být vyrobena ze ţelezného materiálu, tedy ocel nebo litina. Jiné materiály jsou povoleny pouze v případě vyvaţování klikové hřídele. Písty, hlavy a bloky válců nesmí být z kompozitu vyztuţený uhlíkem nebo aramidovým vláknem. Ţádná část motoru nesmí být vyrobena z kovového
22
materiálu s vyšším modulem pruţnosti neţ 50 GPa. Kovové matricové kompozity (MMC) nebo vláknem zesílený kov (FRM) nelze pouţít. [18]
2. Konstrukční návrh demonstrátoru
2.1 Hlavní parametry
Tato kapitola se zabývá stanovením hlavních rozměrů navrhovaného technologického demonstrátoru. Výpočet se opírá o základní parametry řadového čtyřválcového motoru.
Tab. 3 Stručný přehled parametrů spalovacího motoru
Parametr Značení Hodnota Jednotky
Zdvihový objem Vz 150 ccm
Počet válců i 1 -
Počet dob η 4 -
Vrtání (průměr pístu) D 67 mm
Zdvih Z 42,5 mm
Výška pístu hp 37,5 mm
Hmotnost pístu a pístních krouţků mpíst 138,9 g
Vnější průměr pístního čepu da 16 mm
Vnitřní průměr pístního čepu di 10,5 mm
Délka pístního čepu lčep 43 mm
Hmotnost pístního čepu mpč 34,9 g
Vzdálenost os ok ojnice lojnice 91 mm
Šířka hlavního oka ojnice boj 21 mm
Šířka ojničního oka bč 16 mm
Průměr hlavního oka ojnice Doj 33,5 mm
Průměr ojničního oka doj 16 mm
Průměr středících kolíků dk 4 mm
Hmotnost ojnice moj 249,2 g
Průměr mazacích kanálku ojničního oka dmk 3 mm
23
Parametr Značení Hodnota Jednotky
Průměr hlavních i klikových čepů Dkh 31 mm
Průměr mazacích kanálků klikové hřídele dkh 4,3 mm
Průměr vačkové hřídele pro výfuk. ventil Dvhv 24 mm
Průměr vačkové hřídele pro sací ventil Dvhs 28 mm
Šířka vaček bv 11 mm
Průměr sacího ventilu Dsv 27,5 mm
Délka sacího ventilu Lsv 88,9 mm
Hmotnost sacího ventilu msv 23,2 g
Průměr výfukového ventilu Dvv 23 mm
Délka výfukového ventilu Lvv 89,1 mm
Hmotnost výfukového ventilu mvv 18,3 g
Úhel dosedacích ploch αv 45 °
Průměr dříku obou ventilů ddřík 4 mm
2.2 Termodynamický výpočet oběhu motoru pomocí softwaru Wave Build 2016.1
Tento software vyvinutý firmou Ricardo Prague, s. r. o. se zabývá výkonovými a akustickými simulacemi. Při tvorbě modelu spalovacího motoru je moţné velmi přesně nasimulovat průběh hodnot jednotlivých parametrů za pomoci knihovny prvků. Výsledky a zprávy se generují s postprocesorem WavePost. [19]2.2.1 Tvorba simulačního modelu
Pro tuto diplomovou práci byl sestaven simulační model pro jednoválcový pístový spalovací motor se zdvihovým objemem 150 ccm.
Obr. 5 Model pro simulaci v softwaru Wave Build 2016.1
Pro tvorbu simulačního modelu bylo potřeba vyuţít několika prvků z dostupné knihovny. Prvek ambient, v modelu pojmenován jako Intake a Exhaust, simuluje okolní
24
prostředí s atmosférickým tlakem (1 bar) a teplotou (300 K), tedy na počátku sání atmosférického vzduchu a na konci výfuk plynů do atmosféry. Dalším v pořadí je prvek orifices (v modelu jako orif1), který simuluje škrticí klapku. Úhel natočení/otevření škrticí klapky je v tomto prvku nadefinován jako proměnná. V samotném výpočtu je však uvaţován úhel 90°, tedy plné otevření klapky. Dále je do sacího potrubí duct2 připojen vstřikovač (injector1), pro který je nastaven vzduchový součinitel 12,4 (poměr vzduchu a paliva) a poloha v potrubí 30 mm od škrticí klapky. Následující prvky orif (orif2 aţ orif6) znázorňují spojení různých průměrů sacího či výfukového potrubí. Na straně sání prvek y-junction (yjun1) znázorňuje sací kanály v hlavě motoru, jelikoţ motor má definované 2 sací ventily. Prvek cylinder představuje samotný válec motoru. Jsou v něm definovány jak konstrukční parametry jako vrtání, zdvih, délka ojnice, kompresní poměr, tak i provozní hodnoty, např. otáčky, teploty na kritických místech, palivo či způsob výpočtu hoření a přestupu tepla. Otáčky jsou zvoleny jako proměnná hodnota výpočtu. Hodnoty teploty dna pístu, válce, hlavy a ventilů byly zvoleny taktéţ jako proměnné a byly převzaty z doporučených hodnot softwaru. Následuje znovu prvek y-junction (yjun2) zajišťující sloučení dvou potrubí od výfukových kanálů do jednoho. Další prvky orifices odpovídají změně průměrů výfukového potrubí aţ k atmosférickému okolí, které představuje prvek exhaust.
Obr. 6 Ukázka zadaných vstupních hodnot jako proměnných parametrů
2.2.2 Výsledky výpočtu
Po proběhnutí zběţné kontroly (run input check) byl spuštěn výpočet (run direct).
Výsledky výpočtu se zobrazily pomocí postprocesoru WavePost. Zde je také moţné zobrazit základní grafy, jako průběh výkonu či točivého momentu.
25
Obr. 7 Průběh výkonu v závislosti na otáčkách motoru
Obr. 8 Průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách motoru
26
Dalším důleţitým výstupem výpočtu je diagram závislosti tlaku a objemu ve válci, tzv.
p-V diagram. Diagram je rozdělen na 2 plochy. Vysokotlaká část znázorňuje získanou (vykonanou) práci motoru za 1 pracovní cyklus (2 otáčky klikové hřídele). Nízkotlaká část vyjadřuje spotřebovanou (odvedenou) práci motoru potřebnou k výměně náplně ve válci. Na diagramu je rovněţ zobrazen kompresní objem motoru, coţ je vzdálenost od počátku souřadného systému aţ do hodnoty 13,39 ccm. Na grafu můţeme vidět, ţe pro 15 000 ot/min a maximální úhel otevření škrticí klapky, je maximální tlak ve válci cca 8 MPa.
Obr. 9 p-V diagram spalovacího motoru Dalším grafem znázorňující spotřebu paliva je příloha č. 2.
27
2.3 Popis zvolené konstrukce
2.3.1 Klikový mechanismus
Klikový mechanismus skládající se z pístu, pístních krouţků, pístního čepu s pojistnými krouţky, ojnice a klikové hřídele, byl vymodelován podle skutečných parametrů z čtyřválcového motoru. Nepatrná úprava geometrie byla provedena pouze z důvodu optimalizace rozměrů závisející na provedeném výpočtu.
Píst:
Píst (Obr. 10) má průměr 67 mm a jeho výška je 35 mm. Po obvodu má tři dráţky pro pístní krouţky (Obr. 11). Dno má tloušťku 6 mm. Jeho sklon se na sací a výfukové straně liší.
Strana pro sací ventily má odklon od svislé osy válce 11,3° strana pro výfukové ventily je odkloněna o 12°. Ve dně je téţ 4 mm hluboké vybrání pro pohyb ventilů co nejblíţe ke dnu pístu. Mezi těmito vybráními je malá plocha pro svíčku. Plášť pístu je redukován na co nejmenší plochy pro zmenšení tření při chodu motoru. V pístu je nálitek pro pístní čep, který má vybrání pro pojistné krouţky čepu (Obr. 12).
Obr. 10 Pohledy na píst
28
Obr. 11 Pohled na detail pístních krouţků
Obr. 12 Detail na uloţení pístního čepu v pístu
29 Pístní čep:
Pístní čep (Obr. 13) má vnější průměr 16 mm a vnitřní 10,5 mm. Na obou koncích je sraţení. Délka čepu činí 43 mm. Čep je uloţen v pístu a ojnici. S ojnicí se stýká po délce 16 mm, coţ odpovídá šířce horního oka ojnice. Mezi ojnicí a čepem není ţádné nalisované loţisko, protoţe vnější plocha pístního čepu je povrchově upravena pomocí metody DLC (povlakování diamantovou vrstvou). Na koncích uloţení v pístu je čep zajištěn pomocí pojistných krouţků, které odpovídají rozměrům vybrání v nálitku pístu.
Obr. 13 Pístní čep
30 Ojnice:
Ojnice (Obr. 14) je spojení s pístním čepem, potaţmo pístem, a klikovou hřídelí. Horní oko má vnitřní průměr 16 mm, coţ odpovídá vnějšímu průměru pístního čepu. V horní části jsou dva mazací otvory (Obr. 15). Roztečná délka mezi oběma oky je 91 mm. Spodní oko, které je spojeno s klikovou hřídlí, je dělené metodou řezání v horizontální rovině. Oko je při sestavování nejprve středěno kolíky a potom dotaţeno šrouby, které mají ztenčený dřík. Na vnitřním průměru spodního oka jsou vyfrézovány dráţky pro zámečky kluzných loţisek. Po celém obvodu ojnice myšleno v dělící rovině, je vedeno nepatrné vyztuţující ţebro pro zvýšení tuhosti. Ojnice je u spodního oka z obou stran obrobená pro axiální zajištění na klikové hřídeli.
Obr. 14 Sestava ojnice (vlevo), rozklad sestavy (vpravo)
31
Obr. 15 Detail horního oka ojnice s mazacím kanálkem Kliková hřídel:
Kliková hřídel (Obr. 16) tohoto jednoválcového motoru má jedno zalomení a je uloţena na dvou kluzných loţiskách. Hřídel má uvnitř čepů mazací kanálky, které rozvádí olej aţ k zmíněným loţiskám (Obr. 17). Na levém konci je na hřídeli uloţeno řetězové kolo pro pohon olejového a vodního čerpadla. Za tímto řetězovým kolem je nalisováno řetězové kolo pro rozvodový mechanismus. Mezi těmito koly je vymezovací podloţka pro snadnější určení pozice mezi koly při lisování. Na kuţelovém konci klikové hřídele je pomocí Woodruffova pera a matice M14 pro axiální zajištění připevněn setrvačník. Před setrvačníkem je umístěno těsnění s víčkem jako ochrana proti vytečení oleje z bloku motoru.
Kliková hřídel je vyrobena zápustkovým kováním a následně třískově obráběna. Hřídel je vyváţena 100% na rotační hmoty a 50% na posuvné hmoty 1. řádu. Ve 3D modelu je toto vyváţení simulováno pomocí přidané hmoty na ojniční čep, která odpovídá hmotnosti 2/3 ojnice. Následně byly na ramena klikové hřídele přidány vývaţky, aby těţiště hřídele ve svislé ose bylo v ose klikového čepu.
Obr. 16 Kliková hřídel
32
Obr. 17 Pohled na zvýrazněné mazací kanálky
2.3.2 Rozvodový mechanismus
U tohoto demonstrátoru je pouţit ventilový rozvod typu DOHC, tedy dvě vačkové hřídele nad hlavou válce. Kaţdá hřídel má dvě vačky, coţ odpovídá počtu sacích a výfukových ventilů na válec. Vačky svou rotací působí na hrníčková zdvihátka. Ta přes vymezovací podloţku, dosedací misky pruţin, dvě pruţiny a vodítko ventilů působí na ventil, který se v závislosti na natočení vačky otevírá, či zavírá.
Sací ventil má průměr 27.5 mm, výfukový ventil 23 mm. Oba mají stejný průměr dříku, a to 4 mm (Obr. 18).
Obr. 18 Sací a výfukové ventily
33
Vačkové hřídele jsou k hlavě zeshora připevněny loţiskovou klecí (Obr. 19). U tohoto jednoválcového motoru byla pro zajištění pouţita konstrukce, při které je klec spojena do jednoho celku a uprostřed má otvor pro umístění zapalovací svíčky. Její velikost nijak nezasahuje do ploch, které jsou určeny pro těsnění hlavy válce a víka. Spojení s hlavou válce je realizováno přes šrouby se závitem M5, které jsou umístěny v místech uloţení vačkových hřídelí v hlavě. Na straně blíţe k řetězu je ještě jeden šroub pro upevnění horního drţáku řetězu.
Loţisková klec zajišťuje v místě mezi ventily a na svém konci radiální uloţení, v místě mezi ventilem a řetězovým kolem zajišťuje axiální posuv. V kleci jsou vyvrtány kanálky pro rozvod oleje k uloţení vačkových hřídelí a pro mazání mezi vačkami a hrníčky ventilů. Přívod oleje je umístěn v blízkosti axiálního uloţení hřídelí a dále jsou kanálky vedeny podélně aţ k druhé dvojici ventilů. Klec je provrtána i v příčném směru, aby se olej mohl těmito kanálky dostat aţ k uloţení (Obr. 20)
Obr. 19 Loţisková klec
34
Obr. 20 Pohled na zvýrazněné mazací kanálky
Pro rozvod DOHC, který byl v tomto demonstrátoru pouţit, je typické pouţití dvou vačkových hřídelí, zvlášť pro sací a výfukové ventily. V tomto případě byly finální rozměry vačkových hřídelí odvozeny od reálných hodnot. Hřídel Obr. 21) má v levé části umístěn nákruţek, pomocí kterého se po nalisování spojí s řetězovým kolem. Pro určení správné polohy vačkové hřídele slouţí otvor pro kolík. Následuje nákruţek pro axiální uloţení. Dále jsou vačky, mezi kterými je plocha pro uloţení v hlavě motoru. Na konci hřídele je další prostor pro radiální uloţení. Hřídel je téměř po celé délce vyvrtána vnitřním kanálkem pro rozvod oleje.
Obr. 21 Vačková hřídel pro sací ventily
35
Spojení mezi klikovou hřídelí a vačkovými hřídelemi zajišťuje rozvodový řetěz. Ten je napínán třemi napínáky. Horní napínák (Obr. 22) je šroubem M5 zajištěn v loţiskové kleci a tlačí řetěz v místě horních řetězových kol. Přední napínák (Obr. 23) zajišťuje vedení řetězu na straně výfukových ventilů. Zadní napínák (Obr. 24) je sloţen z několika částí (Obr. 25) a pomáhá dotahovat řetěz při jeho povolení.
Obr. 22 Horní napínák
Obr. 23 Přední napínák
36
Obr. 24 Sestava zadního napínáku
Obr. 25 Detail na jednotlivé části zadního napínáku Celkový pohled na rozvodový mechanismus je znázorněný na obrázku (Obr. 26).
37
Obr. 26 Rozvodový mechanismus
2.3.3 Hlava válce
Hlava válce je tvarově velmi náročným komponentem pro tvorbu modelu. Při její tvorbě je potřeba s dostatečným předstihem promyslet umístění všech otvorů, komponentů a také hlavových šroubů. Jak jiţ bylo zmíněno výše, ventily jsou od sebe vzájemně odkloněny, tudíţ se zvyšuje nárok na zástavbový prostor hlavy. Při realizaci návrhu je nutné brát v potaz velikost spalovacího prostoru a polohu svíčky (Obr. 27), umístění sacích a výfukových kanálů (Obr. 28) atd.
Také horní část hlavy (Obr. 29) je tvarově sloţitější, jelikoţ se zde musí umístit a zajistit vačkové hřídele. Ty jsou obvykle uloţeny ve vybrání s dráţkou pro rozvod oleje. Zajištění proti axiálnímu posunutí poskytuje nákruţek u řetězových kol. Ta jsou odlehčena pomocí rovnoměrně vybraných otvorů. Rozvod pohybu je od klikové hřídele realizován převodem 1:2 pomocí řetězového kola na klikové hřídeli a řetězu. Řetěz je jištěn ve třech polohách a jeho případné uvolnění se kompenzuje napínákem řetězu.
38
Obr. 27 Hlava válce, pohled od pístu
Obr. 28 Řez hlavou válce, detail na sací a výfukové kanály
39
Obr. 29 Hlava válce, pohled na uloţení vačkových hřídelí
2.3.4 Blok motoru a kliková skříň
Tato část pístového spalovacího motoru spojuje hlavu válce s klikovou skříní. Uvnitř kopíruje válec, po jehoţ obvodu jsou chladící kanály, ve kterých proudí chladicí kapalina.
V dolní části pak navazuje na klikovou skříň. Blok motoru je spojen s hlavou válce pomocí čtyřech hlavových šroubů M8. Ty jsou umístěny v nálitcích po obvodu bloku z důvodu malého zástavbového prostoru uvnitř hlavy válce. Tím se zajistila optimálnější moţnost jejich montáţe a demontáţe a také ideální rozloţení na teoretické kruţnici. Je tak zajištěn rovnoměrný tlak mezi hlavou válce a blokem.
Kliková skříň pro tento demonstrátor byla zvolena jako dělěná v horizontální rovině osy klikové hřídele, jelikoţ tomu tak bývá u víceválcových motorů motocyklů. Z obou stran je kliková skříň uzavřena víky, se kterými je spojena pomocí šroubů M5. V klikové skříni je uloţena kliková hřídel pomocí dvou párů kluzných loţisek, která jsou uloţena na ţebrech symetricky v obou částech skříně. Tato ţebra mají vyvrtán kanálek, který je součástí mazací soustavy motoru. Tím se předchází většímu opotřebení materiálu. V horní části klikové skříně je navrţen částečně uzavřený prostor pro rozvodový řetěz a jeho napínací mechanismus. Na straně sacích ventilů je nad úrovní osy klikové hřídele umístěno olejové a vodní čerpadlo. Jejich pohon je zajištěn pomocí řetězových kol a řetězu. V bloku je téţ otvor pro připevnění olejového filtru a kanál pro rozvod oleje.
40
Obr. 30 Blok motoru ze strany olejového čerpadla
Obr. 31 Blok motoru ze strany vodního čerpadla
Spodní díl klikové škříně (Obr. 32) slouţí jako podpěra pro kluzná loţiska uloţení klikové hřídele. Na její spodní část plynule navazuje olejová vana.
41
Obr. 32 Spodní část klikové skříně
2.3.5 Mazací soustava
Mazací soustava je jedním z důleţitých prvků motoru. Má za úkol rozvést olej do všech potřebných míst, u kterých dochází ke zvýšenému tření. Tato místa jsou:
- uloţení klikové hřídele v kluzných loţiskách - uloţení ojnice na klikové hřídeli v kluzném loţisku - spojení ojnice s pístním čepem
- spojení pístu s pístním čepem
- uloţení vačkových hřídelí v hlavě válce - dotyk vaček s hrníčky ventilů
- rozvodový řetěz
Olej je z olejové vany přes sací koš nasáván do olejového čerpadla. V tomto demonstrátoru bylo pro olejové čerpadlo zvoleno trochoidní ozubení. Levá část čerpadla se k bloku motoru připevňuje třemi šrouby M5. Pravá část je součástí bloku motoru (Obr. 33).
Z čerpadla se olej dostává do olejového filtru (Obr. 34). Z filtru je kanálem odváděn do hlavní větve vyvrtané v bloku motoru na straně rozvodového mechanismu. Dále je v bloku vyvrtán kanálek pro přívod oleje ke klikové hřídeli, resp. kluzným loţiskám. Odtud je olej dále veden vnitřními kanálky klikové hřídele k ojnici. Olej hlavní větví dále pokračuje vývrtem v hlavě aţ k loţiskové kleci. Touto větví je přiváděn k místům radiálního a axiální uloţení vačkových hřídelí. Tím je dosaţeno dostatečného mazání celé horní části hlavy válce, včetně rozvodového řetězu. Sklonem dna hlavy se olej dostává do zpětné větve umístěné na sací straně válce a dále stéká zpět do olejové vany. Díky sklonu dna olejové vany je zajištěno stečení oleje do nejniţšího místa, ve kterém je umístěn sací koš. Tímto systémem (Obr. 35) je zabezpečen oběh oleje.
42
Obr. 33 Olejové čerpadlo
Obr. 34 Olejový filtr
43
Obr. 35 Pohled na mazací soustavu demonstrátoru v CAD modelu
2.3.6 Chladicí soustava
Chladicí soustava je další nedílnou součástí kaţdého spalovacího motoru. Obecně lze říci, ţe se vyuţívá dvou způsobů chlazení – vzduchem či kapalinou. V této práci bylo pouţito chlazení kapalinou.
Vodní čerpadlo (Obr. 36) je poháněno z hřídele olejového čerpadla, se kterým je jednoduše spojeno. Turbínka čerpadla je uloţena v bloku motoru a z pravé strany je zakryta tělem čerpadla pomocí třech šroubů M5. V těle jsou nálitky pro přívod a vývod kapaliny. Přívod kapaliny do motoru je navrhnut v místě výfukových kanálů v hlavě válce. Odvod kapaliny je umístěn v bloku válce (Obr. 37).
44
Obr. 36 Vodní čerpadlo
Obr. 37 Pohled na chladicí soustavu demonstrátoru v CAD modelu
45
Obr. 38 Kompletní sestava, pohled od vodního čerpadla
Obr. 39 Kompletní sestava, pohled od rozvodového mechanismu
46
3. Zjednodušené kontrolní výpočty
Pro výpočet silových a kinematických poměrů klikového mechanismu, bezpečnost klikové hřídele a zjednodušený kontrolní výpočet pro pístní čep, byl vytvořen výpočetní program v softwaru MS Excel. Výstupní protokol z tohoto souboru je k dispozici v příloze.
3.1 Popis výpočetního programu
Výpočetní soubor se skládá z několika částí, které jsou spolu provázány pomocí prvku Makra. Na úvodním listu (Obr. 40) se uţivatel seznámí s prostředím souboru. Pomocí tlačítka Zadat vstupní hodnoty pro výpočet se přesune na následující list, kde jiţ zadá potřebné hodnoty pro výpočet.
Obr. 40 Úvodní list výpočetního souboru
Na následujícím listu Vstupní hodnoty uţivatel zadá do bílých polí hodnoty potřebné pro výpočet, např. vrtání, délku pístního čepu, hmotnost ojnice, šířka ramen klikové hřídel apod (Obr. 41). Jsou zde vyobrazeny názorné obrázky pro lepší představu o pojmenování uvedených rozměrů. V pravé části je pak nutné zadat průběh tlaku ve válci v závislosti na úhlu natočení klikové hřídele. V tomto případě byl pouţit výstup ze softwaru Wave z předchozí kapitoly.
47
Hodnoty z Wave Build 2016.1
Název Označení Hodnota Jednotka
Maximální efektivní výkon Pef 18,1 kW Maximální točivý moment Mt 16,9 Nm Otáčky motoru při Mt nMt 9 000 ot/min Měrná spotřeba paliva mpe 306 g/kWh
Výhřevnost paliva Hu 43,18 MJ/kg
Indikovaný výkon Pi 21,06 kW
Maximální tlak plynu pmax 9,4 MPa
Obr. 41 Ukázka zadaných hodnot pro výpočet v bílých polích
Pomocí tlačítek umístěných uprostřed (Obr. 42) se uţivatel můţe pohybovat mezi jednotlivými listy souboru.
Obr. 42 Ukázka tlačítek umístěných na kartě Vstupní hodnoty
Následující list kinematika+silové účinky zobrazuje vypočtené silové a kinematické účinky v klikovém mechanismu. V tomto listu jiţ uţivatel nezadává ţádné hodnoty potřebné k výpočtu. V levé části lze vidět tabulku sil, momentů a kinematických veličin. Vpravo jsou uspořádány grafy vytvořené z průběhů těchto veličin (Obr. 43).
48
Obr. 43 Ukázka grafu
Pomocí tlačítek umístěných vlevo nahoře se uţivatel můţe přesunout zpět na kartu Vstupní hodnoty nebo na následující kartu Bezpečnost klikové hřídele.
List Bezpečnost klikové hřídele obsahuje všechny potřebné koeficienty a mezivýpočty pro zjištění míry bezpečnosti klikové hřídele. V levé horní části jsou opět umístěna tlačítka pro přesun na další listy (Vstupní hodnoty, Bezpečnost pístního čepu). Pod nimi je umístěná tabulka s vypočtenými základními parametry motoru, včetně velikosti posuvných a rotačních hmot.
V pravé části jsou umístěny tabulky, které zobrazují koeficienty pro výpočet bezpečnosti klikové hřídele. Zde se znovu objevují bílá pole pro vyplnění uţivatelem. Vedle bílého pole je umístěno tlačítko s názvem Graf. (Obr. 44). Po kliknutí se uţivatel přesune na následující list, kde v příslušném grafu odečte potřebné koeficienty. Pomocí tlačítka vedle grafu s příslušným názvem koeficientu se vrátí zpět do bílého pole na kartě Bezpečnost klikové hřídele, kam zapíše odečtenou hodnotu koeficientu (Obr. 45). Tak postupuje i u dalších bílých polí pro vyplnění.
Obr. 44 Ukázka bílého pole pro vyplnění a tlačítka Graf 1 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
-360 -240 -120 0 120 240 360
Síla od tlaku plynů Fp (N)
natočení klikové hřídele α (°)
Síla od tlaku plynů
49
Obr. 45 Ukázka grafu pro odečtení koeficientů a jeho tlačítek
Pod těmito koeficienty je umístěna tabulka s celkovou bezpečností klikové hřídele pro tři průřezy. Tyto buňky jsou naformátovány tak, aby se při dodrţení alespoň minimální míry bezpečnosti zobrazily zeleně. V opačném případě se zobrazují červeně.
Tlačítkem Bezpečnost pístního čepu se uţivatel dostane na předposlední kartu souboru.
Zde jiţ nic nevyplňuje a pouze vyhodnocuje vypočtené hodnoty. Zobrazena je tabulka a dva grafy znázorňující dovolenou ovalizaci a průhyb pístního čepu. Tato metoda zjednodušeného výpočtu je převzata z firmy Kolbenschmidt. V grafech se zobrazuje průsečík hodnoty vrtání z listu Vstupní hodnoty a automaticky vypočtené ovalizace a průhybu pístního čepu. Tento průsečík nesmí překonat hodnoty vyobrazené černou úsečkou (Obr. 46).
Obr. 46 Ukázka grafu se zobrazeným průsečíkem z karty Výpočet pístního čepu 0
5 10 15 20 25 30 35 40
20 40 60 80 100
dovolená ovalizace Δd (μm)
průměr pístu D (mm) Dovolená ovalizace pístního čepu
50
Tlačítky v levém horním rohu se uţivatel můţe posunout na kartu Vstupní hodnoty nebo přejít na Výstupní protokol.
List Výstupní protokol obsahuje veškeré hodnoty a grafy z předešlých karet. Je zde moţné si na 16 stranách uceleně prohlédnout a zhodnotit celý postup výpočtu. Jsou tu zobrazeny veškeré grafy seřazené tak, jak byly zobrazeny na předešlých kartách. Na konci tohoto prokolu je umístěné tlačítko Vytisknout výstupní protokol, které uţivatele po kliknutí přesune do ovladače tiskárny. Celý protokol je přiloţen v příloze.
3.2 Vstupní hodnoty pro výpočet
Pro výpočet silových a kinematických účinků, bezpečnosti klikové hřídele a zjištění ovalize a průhybu pístního čepu, byly pouţity tyto hodnoty Tab. 4, Tab. 5):
Tab. 4 Vstupní hodnoty pro výpočet
Hodnoty pro zadání (konstrukci a výpočet)
Název Označení Hodnota Jednotka
Zdvihový objem Vz 149,84 ccm
Počet dob η 4 -
Průměr pístu D 67 mm
Kompresní poměr ε 12 -
Zdvih Z 42,5 mm
Hmotnost pístu a pístních krouţků mpíst 138,9 g
Vnější průměr pístního čepu da 16 mm
Vnitřní průměr pístního čepu di 9 mm
Délka pístního čepu l 43 mm
Polovina délky kontaktu pístního čepu s oky pístu x 12,5 mm
Modul pruţnosti v tahu pístního čepu E 210 000 MPa
Dovolený měrný tlak pD 100 MPa
Hmotnost pístního čepu mpč 34,9 g
Vzdálenost ok ojnice lojnice 91 mm
Šířka hlavního oka ojnice l1 25 mm
Šířka ojničního oka ojnice b 16 mm
Průměr hlavního oka ojnice Doj 33,5 mm
Průměr středících kolíků dk 4 mm
Hmotnost ojnice moj 249,2 g
Průměr mazacích kanálků ojničního oka dmk 3 mm
Hmotnost klikové hřídele mKH 2 246 g
Mez pevnosti materiálu klikové hřídele ζP 1 000 MPa
Průměr hlavního čepu klikové hřídele D0 31 mm
51
Průměr klikového čepu klikové hřídele D1 31 mm
Délka zalomení klikové hřídele lz 95 mm
Polovina šířky hlavního čepu klikové hřídele lo/2 20 mm
Šířka ramene čepu klikové hřídele h 15 mm
Příčný rozměr od hlavního čepu ke klikovému čepu h' 16 mm
Poloměr zaoblení ρ 2 mm
Šířka ramen br 95 mm
Průměr mazacích kanálku klikové hřídele dkh 4 mm
Součinitel počtu válců ξ 0,1 -
Přídavné napětí od torzních kmitů ψ 20 MPa
Tab. 5 Výstupní hodnoty z výpočtového modelu v programu Wave Build Hodnoty z Wave Build 2016.1
Název Označení Hodnota Jednotka
Maximální efektivní výkon Pef 18,1 kW
Maximální točivý moment Mt 16,9 Nm
Otáčky motoru při Mt nMt 9 000 ot/min
Měrná spotřeba paliva mpe 306 g/kWh
Výhřevnost paliva Hu 43,18 MJ/kg
Indikovaný výkon Pi 21,06 kW
Maximální tlak plynu pmax 9,4 MPa
Z výpočtového modelu byl ještě pouţit průběh tlaku ve válci v závislosti na úhlu natočení klikové hřídele. Tabulkově však tento průběh není uveden z kapacitních důvodů.
3.3 Silové a kinematické účinky
V pístovém spalovacím motoru vzniká mnoho sil a momentů, které namáhají celý klikový mechanismus a jeho uloţení. Tyto účinky se dělí do skupin:
52 Tab. 6 Silové a momentové veličiny
Síly a momenty od
tlaku plynů
Síla na píst
Síla na ojnici
Normálová síla
Tečná síla
Radiální síla
Točivý moment motoru
Klopný moment
Vnitřní síly a momenty od posuvných
hmot
Síla od posuvných hmot [ ]
Síla v ojnici
Normálová síla
Tečná síla
Radiální síla
Moment od posuvných hmot
Klopný moment
Vnitřní síly od rotačních
hmot
Síla od rotačních hmot
Tab. 7 Kinematické veličiny
Střední pístová rychlost
Dráha pístu [ √ ]
Rychlost pístu ̇ [ ]
Zrychlení pístu ̈
Úhlová rychlost ojnice
√ Úhlové zrychlení ojnice
53
Další důleţité parametry pro výpočet je zjištění těchto hodnot (Tab.8):
Tab. 8 Hodnoty pro výpočet základních parametrů motoru Střední efektivní tlak motoru
Litrový výkon
Mechanická účinnost
Celková účinnost
Zdvihový poměr
Poloměr klikové hřídele
Ojniční poměr
Obr. 47 Nákres pro výpočet kinematiky pístu a ojnice [20]
Následují vybrané grafy z výpočtového souboru, z kapacitních důvodů nejsou uvedeny všechny, výstupní protokol je v příloze.
54
Graf 1 Průběh střední pístové rychlosti
Graf 2 Průběh dráhy pístu
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
střední pístová rychlost cps (m/s)
otáčky n (min-1)
Střední pístová rychlost
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 60 120 180 240 300 360
dráha úístu x (mm)
natočení klikové hřídele α (°)
Dráha pístu
55
Graf 3 Průběh rychlosti pístu
Graf 4 Průběh zrychlení pístu -25
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
0 60 120 180 240 300 360
rychlost pístu (m/s)
natočení klikové hřídele α (°)
Rychlost pístu
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
0 60 120 180 240 300 360
zrychlení pístu (m/s2)
natočení klikové hřídele α (°)
