En wordt daarop, na voorlezing van het arrest van verwijzing, door den tweeden tolk overgebragtde qualificatieder feiten, weswege

In document SCHEPELINGEN AAN BOORD YAN HET KOOPVAARDIJSCHEP (pagina 35-42)

Pro hodnocení deformací vývrtů válce je důležité stanovení metodiky, jak na velikost a tvar deformace nahlížet. Postupně se ukázalo jako nejvýhodnější popsání tvaru pomocí Fourierovy řady (1). V tomto vzorci má každý člen určitý význam. Člen R0 odpovídá prostému zvětšení poloměru vývrtu. Hodnota 1. řádu ΔR1

určuje změnu polohy středu v souřadném systému. Další řády tj. ΔR2 a vyšší pak už určují deformace samotného vývrtu. Hodnota φi značí pootočení daného řádu deformace vůči počátku v daném souřadném systému. Výhodou takto popsané

9

deformace je, že funkci lze dále snáze využívat k následným výpočtům. Díky tomuto popisu deformací se porovnávání jednotlivých tvarů vývrtů změnilo na srovnávání

Základní motivací pro takovéto výpočty a měření je zjistit, zda nedochází ke ztrátě kontaktu mezi pístním kroužkem a válcem. K tomuto účelu byl stanoven tzv. koeficient konformability K. Na základě základních parametrů pístního kroužku, koeficient určuje schopnost kroužku absorbovat deformaci vývrtu a neztratit kontakt.

Rovnici (2) pro určení koeficientu K uvádí např. [11].

x

Na základě takto stanoveného koeficientu se různí autoři snaží určit míru jednotlivých řádů deformace, při které již daný kroužek není schopen plnit správnou funkci. Například Dunaevsky [12] stanovuje vzorec (3) pro limitní hodnoty ∆Ri

výpočtem na základě teorií pružnosti a pevnosti. Tuto míru posléze přejímá firma TOYOTA. Autor Müller [1] určuje limitní hodnoty dle vzorce (4) a tyto posléze přejímá firma GOETZE. Poslední autor je Tomanik [11]. Ten na základě provedených měření stanovuje kritéria dle vzorce (5).

10

Dále lze také hodnotit deformace dle příčin, které k nim vedou. Nejčastěji se hodnotí deformace stálé v čase tj. vzniklé samotnou montáží motoru. Takto vzniklým deformacím se konstruktéři věnují nejdéle. Deformace jdou poměrně snadno měřit a tak se jim již od počátku konstruování motorů věnovala pozornost.

Starší literatura [4],[20],[22],[27] zmiňuje zejména různé varianty konstrukcí a rozložení hlavových svorníků a jejich zásadní vliv na deformace. Hodnoty nebo tvar deformací však uváděny nejsou. Výpočty se omezují na základní vzorce z pružnosti a pevnosti. Poměrně rozsáhle se statickým deformacím vývrtu věnuje autor [1]. Zde autor dokonce uvádí hodnoty ΔRi pro jednotlivé členy Fourierovy řady. V tomto případě jde o výsledky rozsáhlých měření na toto téma na mnoha různých konstrukcích motorů. Významným krokem na poli deformací se stalo rozšíření metody konečných prvků. Tato metoda začala být využívána různými výrobci a autory k řešení této problematiky [13],[16].

Další příčinou vzniklých deformací změna teplot jednotlivých částí motoru. Vlivem různého koeficientu roztažnosti jednotlivých částí motoru nebo nehomogenního teplotního pole pak dochází k deformacím vývrtu a zhoršené funkci pístní skupiny. Většina autorů řešící tuto problematiku, se soustředí převážně na výpočty nebo měření teplotních polí nebo určení koeficientu přestupů tepla [7],[14],[19],[21],[29]. Samotné určení teplotního pole motoru je problematika poměrně rozsáhlá a velkým množstvím vlivů, které je složité postihnout. Například [17] se zabývá, pomocí CFD výpočtů, změnami teplotního pole vlivem odpařujícího se paliva na stěnách válce. Z důvodů značné složitosti je tak třeba vždy provádět verifikační měřeni. Kontrolní měření na vozidlových motorech učinila převážná většina autorů, která se zabývala výpočty či měřením deformaci. Lze uvést např.

[3],[14],[15],[19]. Výsledek výpočtu pro vznětový motor FIAT autorů [19] je vidět na obrázku 1. Převážná většina těchto autorů se však deformacemi vývrtu válce již dále nezabývá a zůstává u měření či výpočtů teplotního pole.

Další důležitou složkou deformace vývrtu válce je od namáhání způsobeného funkcí klikového mechanismu a tlakem během spalovacího procesu.

Dříve bylo početní řešení takovýchto problémů prakticky nemožné. S nástupem výpočtových programů se situace změnila a někteří autoři a výrobci se začali této problematice věnovat. Jedním takovým je např. [15]. Autor zde uvádí výsledky deformace výpočtu řadového čtyřválcového zážehového motoru Toyota. Kvůli složitosti této práce se omezil pouze na výpočet dvou válců. Zatížení autor omezuje na případ montáže, teplotního pole a tlaku plynů ve spalovacím prostoru. Poloha klikového hřídele zohledněna není. Výsledkem však jsou hodnoty deformací pro jednotlivé řády deformace. Příklad výsledku z [15] je vidět na obrázku 2.

11

Obrázek 1 - příklad výsledku výpočtu teplotního pole – FIAT dle [ 19 ]

obrázek 2 - závislost deformace vývrtu motoru TOYOTA na různých zatíženích dle [15]

Jinou metodou zjištění možných deformací je měření. Prakticky se vyskytují dvě zásadně odlišné metody.

První je přímé měření deformace vývrtu a to v celé ploše při statických podmínkách. Zásadními představiteli této metody jsou Messfix a Incometer vyvinuté firmou GOETZE AG popsané v [1]. Systém umožňuje měření deformace válce po celé funkční ploše vývrtu. Metody se dá využít ke zjištění míry deformace vlivem montáže nebo konstrukčního uspořádání válce. Výhodou může být i přímé určení koeficientů Fourierovy řady. Příklad výsledku měření je vidět na obrázku 3. Metody tohoto typu dávají přímý pohled na deformovaný vývrt.

12

obrázek 3 - příklad výsledku měření GOETZE dle [1]

Za druhou variantu principu měření lze považovat zjišťování deformace během provozu motoru. Tato měření jsou již podstatně složitější než u předchozího typu. Ve všech případech se využívá k tomuto účelu vyrobeného měřícího pístu. Pro samotné měření je pak využíváno kapacitního snímače umístěného v místě poblíž pístních kroužků. Ze změny kapacity se pak během měření usuzuje na vzdálenost snímače od stěny válce. Složitost tohoto měření spočívá v přenosu signálu z pístu do měřícího zařízení. Takovéto měření popisuje například [2]. Umístění snímačů v pístu je patrno z obrázku 4. Nevýhodou této metody je například to, že k měření dochází pouze v určité poloze na obvodě pístu. Výsledkem je tedy deformace v určitém místě po délce vývrtu.

obrázek 4 - přiklad uložení snímačů deformace vývrtu dle [2]

Stejného principu měření avšak odlišného zařízení ke zjištění deformace vývrtu použili [3]. Aby bylo možné měřit deformaci válce po celém obvodě a ne

13

pouze v konkrétním úhlu natočení, je měřící píst opatřen nosičem snímačů. Ten je pomocí soustavy převodů pootáčen a tím je umožněno určit pozici snímače dle požadavků měření. Konstrukce pístů a potřebná měřící zařízení jsou velmi složitá a vynucují si značnou úpravu motoru. Další nevýhodou je i velké ovlivnění pístu z hlediska odvodů tepla, to může následně ovlivnit i výslednou deformaci válce.

Příklad složitosti konstrukce pístu a ovládacího mechanismu je patrný z obrázku 5.

Výsledek takovéhoto měření lze vidět na obrázku 13.

obrázek 5 - příklad konstrukce pro měření deformace vývrtu za provozu dle [3]

Výsledky obou typů měření přímé resp. za provozu se od sebe významně liší. Zatímco přímé měření dává představu o celkové deformaci ve stanovený čas nezávisle na poloze klikového mechanismu, měření za provozu ukazuje velikost deformace vždy v místě snímače pro konkrétní polohu pístu. V případě, že je cílem zjištění deformace vývrtu pro stanovení kvality kontaktu pístních kroužků a válce, je měření za provozu podstatně výhodnější. Měření zohledňuje zatížení komponentů

14

tepelné i silové a soustředí se přímo na místo v okolí styku kroužků s vývrtem válce.

Problém nastává, když je třeba zobrazit celkovou deformaci ve stejném čase. Pakliže se tedy podíváme na výsledek na obrázku 13, nevidíme profil zdeformovaného vývrtu, ale řadu bodů, z nichž každý odpovídá jiné poloze pístu a jiným zatěžujícím podmínkám, vždy však jde o místo v okolí pístních kroužků.

obrázek 6 - - příklad naměřené deformace vývrtu dle [3]

Z důvodů snímání pouze několika bodů a proměnnosti zatěžujících podmínek lze metodu [ 2 ] použít pouze na verifikaci výpočtů. Metodu dle [ 3 ] je možné používat i pro další výpočty týkající se kontaktu kroužků s válcem, nedávají však náhled na celkovou deformaci válcové jednotky. To zároveň znesnadňuje odhalení příčin deformace a jejich možnou redukci.

Velká složitost a náročnost takovýchto komplexních měření a současné možnosti FEM výpočtů způsobují, že stojí dnes měření spíše v pozici verifikace výpočtů. Tento přístup mění pohled na verifikační měření. Tato se nemusí již soustředit na měření přímo vývrtu válce, ale lze měřit deformaci jiných míst válcové jednotky. V takovémto případě tak lze využít i jiných měřících metod.

Jelikož komplexní výpočty a měření jsou náročná a velmi nákladná, používají je prakticky pouze velcí výrobci. V případě, že výrobce takto obsáhlé výpočty a měření učiní, nejsou již výsledky dále prezentovány. Z tohoto důvodu lze v literatuře nalézt pouze měření a výpočty pro běžné automobilové motory standardní konstrukce. Dále také lze jen těžko dohledat výsledky deformací válců vzduchem chlazených motorů. To je dáno historicky. V době, kdy vzduchem chlazené motory byly používány u běžných automobilových motorů, ještě nebyl výpočtový a měřící aparát na současné úrovni.

15 3. Cíle disertační práce

Jelikož jsem po několik let byl zaměstnán jako konstruktér ve firmě, která se naplno zabývala konstrukcí a vývojem závodních motorů, byla znalost deformací celé válcové jednotky zásadní. Bez hlubších znalostí o funkci konkrétního motoru již nebylo možné posouvat konstrukci jednotlivých dílů motoru dál. V dostupné literatuře se objevují pouze obecně známé poznatky nebo jen výsledky prací pro nejvíce rozšířené standardní konstrukce. Tento moment mě vedl k započetí výzkumu deformací válcové jednotky při extrémních zatíženích. Z těchto důvodů byl také použit motor, na jehož vývoji jsem se podílel.

Stěžejním cílem této práce je zkoumat vliv jednotlivých typů zatížení na tvar a míru deformace vývrtu válce u konkrétního závodního motoru. Jako dílčích cílů by mělo být v práci dosaženo:

 U zkoumaného motoru stanovit míru a tvar deformace pro případ deformací stálých v čase tj. deformace vývrtu válce vlivem montáže motoru a jeho konstrukce.

 Pro tentýž motor ve vybraném zatěžujícím stavu zkoumat míru a tvar deformace vývrtu pro případ zatížení proměnného v čase, ale stálého během jednotlivých cyklů motoru tj. deformace vývrtu vlivem nerovnoměrného rozložení teplot po celém konstrukčním uzlu hlava, válec a blok motoru.

 Ve stejném režimu provézt analýzu deformací vývrtu válce vzniklých zatěžujícími silami opakujícími se v každém cyklu tzn.

silami vzniklými funkcí klikového mechanismu a spalovacím procesem.

 Zkoumat a zhodnotit vzájemné souvislosti mezi jednotlivými typy zatížení

4. Nástroje pro řešení stanovených cílů

K uskutečnění stanovených cílů bylo nutné vytvořit tyto nástroje:

- Motor upravený pro potřeby měření potřebných ke stanovení okrajových podmínek výpočtů nebo jejich následným verifikacím.

Na tomto motoru byla provedena verifikace strukturálního modelu pomocí tenzometrie a měřením kontaktních tlaků. Pro verifikaci teplotních polí motoru

16

byl motor využit při měření termočlánky i teplotního pole pomocí termokamery. Rovněž byl tento motor užíván pro měření vysokotlaké indikace

- Výpočtové modely v programech Power a GT-Crank pro určení okrajových podmínek FEM výpočtů.

- Výpočtové FEM modely v prostředí ANSYS pro tepelné a strukturální výpočty deformací.

5. Experimentální část

Pro výzkum deformací válcové jednotky byl vybrán závodní motor JAWA 889-10-208. Jedná se motor používaný převážně jako pohonná jednotka plochodrážních motocyklů (viz obr. 7). Jedná se o jednoválcový čtyřtaktní motor chlazený vzduchem. Jako palivo se používá methanol. Pro výpočty deformací byl vybrán režim maximálního výkonu. Vnější charakteristika zkoumaného motoru je vidět na obrázku 8 a základní parametry jsou:

zdvihový objem VZ 500 ccm

vrtání válce D 90 mm

zdvih pístu ZP 78,6 mm

délka ojnice LOJ 163 mm

kompresní poměr ε 14,5

základní nastavení předstihu 28° zapalování IGNITECH časování ventilů v 1mm zdvihu – vačka 04

VO 63 / VZ 27 SO 31 / SZ 77

obrázek 7 - motory JAWA 889 používané v motocyklech pro plochou dráhu

17

Pro potřeby výzkumu deformací bylo nutné motor JAWA 889-10-208 značně přepracovat a upravit. Motor byl upraven pro potřeby vysokotlaké indikace, po obvodě zkoumaného motoru byly umístěny termočlánky typ K ( viz obr. 9) a byly zabudovány tenzometry ( viz obr. 10). parametry testovacího motoru JAWA 889

0

4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000

otáčky motoru ( 1/min )

obrázek 8 - výkonnostní parametry motoru JAWA 889 určeného pro výzkum deformací

obrázek 9 - rozmístění termočlánků

obrázek 10 - umístění tenzometrů

5.1. Deformace vývrtu válce vlivem montáže

strana výfuku strana sání

18

První možnou příčinou deformací vývrtu válce je vliv montáže. Na charakter a velikost má vliv samotná konstrukce motoru. Vlivem předpětí všech šroubů, které jsou součástí sestavy hlava-válec-blok se vývrt trvale zdeformuje. Tato deformace zůstává stálá a během provozu se nemění. Deformace vzniklé rozložením teplot nebo práce motoru se k této deformaci přičítá.

Pro potřeby výpočtů deformací byl vytvořen model motoru v prostředí ANSYS. Součástí modelu je hlava motoru, válec, obě poloviny bloku a svorníky bloku motoru. Síť stukturálního modelu tvoří prvky SOLID 95 a kontaktní plochy elementy CONTA174 a TARGE170. Vytvořená síť jednotlivých prvků je patrná z obrázku 11.

obrázek 11 - síť jednotlivých částí výpočtového modelu

5.1.1. Verifikace výsledků měřením

Aby bylo možné výsledné hodnoty považovat za rozumné, je třeba výsledky takovéhoto výpočtu verifikovat. Tato kontrola byla provedena pomocí dvou nezávislých metod.

První metoda je založena na rozložení kontaktních tlaků ve dvou hlavních kontaktních plochách a to mezi hlavou a válcem a mezi válcem a blokem motoru. Za tímto účelem bylo použito speciálních fólií pro měření kontaktních tlaků PRESUREX od [33]. Motor byl smontován dle postupu předepsaného výrobcem

19

(60Nm pro hlavové šrouby). Pro potřeby porovnání s výpočtem byly výsledky dále převedeny metodou TOPAQ vyvinuté [33]. Při srovnání výsledků obou kontaktních ploch se ukázala poměrně rozumná shoda jak absolutních hodnot tak i celkového rozložení kontaktních tlaků.

obrázek 12 - porovnání výsledků měření a výpočtu kontaktních tlaků

Druhá verifikační metoda spočívala v porovnání hodnot poměrného prodloužení ve stejných místech, v kterých byly nalepeny tenzometry. Porovnávány byly hodnoty poměrného prodloužení dosažené na konci utahování. Průběh a výsledné hodnoty montáže jsou vidět na záznamu na obrázku 13. Výsledky této

20

metody ukazují relativně dobrou shodu naměřených a vypočtených hodnot.

Největšího rozdílu hodnot bylo dosaženo na bloku motoru a to 25%, přičemž naměřené hodnoty jsou menší než vypočtené. Během procesu montáže a utahování hlavových šroubů se také ukázalo, že v první fázi utahování dochází k poměrně velkému zatížení kontaktní plochy v okolí šroubu, který je utahován jako první.

Takto verifikovaný model byl dále používán pro všechny strukturální výpočty v této disertační práci.

obrázek 13 - průběh poměrného prodloužení při utahování a srovnání s výsledky FEM výpočtu. Jednotlivé křivky zobrazují hodnoty poměrného prodloužení jednotlivých tenzometrů, přičemž v čase t = 240 s hodnoty odpovídají hodnotám výsledným. V pravé části jsou pak vyznačeny výsledky teoretického výpočtu. Jednotlivé barvy a označení tenzometrů v obou případech odpovídající

5.1.2. Výsledky výpočtu deformací pro případ montáže motoru

Pro vyhodnocování jednotlivých deformací vývrtů bylo nezbytné stanovení kontrolních rovin. Tyto byly stanoveny s ohledem na polohu klikového hřídele, tak aby odpovídali poloze pístních kroužků s krokem natočení klikového hřídele 22,5°.

Jednotlivé roviny tak byly vzdáleny 8, 12, 22, 36, 53, 66, 76, 84 a 86mm od dosedací plochy hlavy válce. V těchto kontrolních rovinách jsou pak zobrazeny veškeré deformace, uvedené v této disertační práci.

Pohled na zdeformovaný vývrt vlivem montáže motoru je patrný z obrázku 14. Vidět je zde například vliv konstrukce válce v oblasti dosedací roviny válec / blok, zvýšení ovality v dolní části vývrtu či deformace. Mnohem lepší pohled na deformace vývrtu dává graf na obrázku 15 resp. 16. Zde jsou odděleny deformace 0. a 1. řádu od řádů vyšších. Z obrázku 15 je pak vidět celkové zvětšení poloměru

počátek utahování konec utahování

21

vývrtu a výsledný posun středu v souřadném systému. Pro správnou funkci pístních kroužků mají ovšem vliv až deformace 2. a vyššího řádu. Tyto jsou v polárních souřadnicích vyobrazeny na obrázku 16. Z grafu je patná zvyšující se hodnota ΔRi

v dolní části vývrtu válce. Konkrétní tvary deformací pro dvě vybrané kontrolní roviny 8mm a 86mm jsou vidět na obrázcích 17 a 18. Pro každý tvar je vždy uveden graf s hodnotami ΔRi Fourierovy řady pro 2. až 8. řád. V obou případech je patrný zásadní vliv 2. a 8. řádu.

obrázek 14 - celkový pohled na zdeformovaný vývrt vlivem montáže

0. - 1.řád deformac e

obrázek 15 - tvar a velikost deformací 0. a 1. řádu v jednotlivých rovinách (mm)

2. - 8.řád deformac e

obrázek 16 - tvar a velikost deformací 2. až 8. řádu v jednotlivých rovinách (mm)

22

obrázek 17 - součet 2. - 8. řádu deformace pro kontrolní rovinu 8mm a zatížení motoru pouhou montáží

obrázek 18 - součet 2. - 8. řádu deformace pro kontrolní rovinu 86mm a zatížení motoru pouhou montáží

5.2. Deformace vývrtu válce vlivem teplotní roztažnosti materiálů a nehomogenního teplotního pole

Tyto deformace vznikají ze dvou hlavních příčin a to buď vlivem použití materiálů o různém koeficientu délkové roztažnosti v jedné a té samé konstrukci, nebo vlivem různého rozložení teplot po konstrukci motoru. U spalovacího motoru je toto dáno samotným principem spalovacího procesu a výměny náplně válce.

Pro získání hodnot takovéhoto teplotního pole byl vytvořen nový FEM model v prostředí ANSYS. Strukturální výpočtový model byl konvertován do modelu teplotního. Tento model byl vytvořen z elementů SOLID90, zatímco kontaktní elementy byly zachovány z předešlého modelu.

23

5.2.1. Provedená měření a výpočty pro určení teplotního pole zkoumaného motoru

Pro získání okrajových podmínek bylo nutné provézt několik podpůrných měření a výpočtů. Některá z těchto měření byla posléze použita i jako verifikační.

Prvním typem měření, které bylo provedeno, je měření průběhu teplot pomocí termočlánku. Podobná měření byla již provedena v [10], ale pro korektnost vstupních hodnot bylo měření provedeno opakovaně pro konkrétní režim a konkrétní zkoumaný motor. Měření bylo provedeno na brzdovém stanovišti Powertester 1PT 150 A od firmy Jaroš. Průběh těchto měření je patrný z obrázků 19, 20 a 21. Jelikož zkoumaný motor JAWA 889 je stavěn jen na velmi krátkou dobu plné zátěže, nemohlo během testu dojít k úplnému ustálení teplot. Z měření je patrné, že k úplnému ustálení nedošlo u termočlánků T1, T2, T3 a T5. S tímto stavem se bohužel bylo nutné smířit a zahrnout toto neustálení do chyb měření a u výsledků na ně brát zřetel. Z výsledků je také patrný značný chladící efekt metanolu. Při přechodu na plné zatížení došlo k razantnímu poklesu teplot T2 a T3. Tento jev je popsán již v [10]. Vlivem vysokého tumblu a gravitace dochází k dopadu paliva na protější stěnu a je tak prudce ochlazována stěna válce na straně výfuku.

obrázek 19 - průběh teplot termočlánků T1,T2,T3 a T4 během testu (strana výfuku)

obrázek 20 - průběh teplot termočlánků T5,T6,T7 a T8 během testu (strana primárního převodu)

24

obrázek 21 - průběh teplot termočlánků T9,T10,T11 a T12 během testu (strana sání) Souběžně s předešlým měřením byl na konci režimu plné zátěže pořízen snímek teplotního pole motoru termokamerou FLIR P65. Pro snížení chyby měření byl motor ošetřen nástřikem laku THERMOSPRAY 800 dodané firmou FLIR, který zajišťuje stálou a známou hodnotu emisivity po celém povrchu. Výsledek byl poté pomocí programu FLIR REPORTER převeden do teplotního spektra 40 – 180°C.

Výsledek je vidět na obrázku 22.

obrázek 22 - teplotní pole motoru

Pro rozumné určení okrajových podmínek bylo dále nutné stanovit hodnoty teploty náplně válce TCYL a koeficient přestupu αCYL. K tomuto posloužil program GT-Power, v němž byl vytvořen výpočtový model. Pro nastavení a verifikaci tohoto modelu byla provedena vysokotlaké indikace zkoumaného motoru

Pro rozumné určení okrajových podmínek bylo dále nutné stanovit hodnoty teploty náplně válce TCYL a koeficient přestupu αCYL. K tomuto posloužil program GT-Power, v němž byl vytvořen výpočtový model. Pro nastavení a verifikaci tohoto modelu byla provedena vysokotlaké indikace zkoumaného motoru

In document SCHEPELINGEN AAN BOORD YAN HET KOOPVAARDIJSCHEP (pagina 35-42)

Outline

GERELATEERDE DOCUMENTEN