Pojazdy Specjalne Motoryzacja

Kolejność projektowania

Na przykład modele elastooptyczne lub zmniejszone modele dużych konstrukcji umożliwiające zastosowanie metody kruchych pokryć (na prototypie często niewykonalnej ze względu na jego wielkość). Projektowanie silnika przebiega zwykle w następującej kolejności.

1. Ustalenie średniego ciśnienia użytecznego pe, na podstawie założeń wstępnych, przyjętych dla projektowanego silnika.

2. Ustalenie wymiarów głównych silnika, tj. średnicy cylindra D i skoku tłoka S.

3. Wykonanie rysunku i obliczeń wytrzymałościowych tłoka z pierścieniami i sworzniem.

4. Ustalenie X = r/l = S/2 l (a stąd długości korbowodu) oraz średnicy czopa korbowego.

5. Wykonanie szkicu korbowodu i wykorbienia wału, sprawdzenie nacisków i naprężeń występujących w tych elementach; w razie pozytywnego wyniku – wykończenie projektu tłoka, korbowodu i wykorbienia wału.

6. Ustalenie zarysu przeciwciężaru i obliczenie jego grubości oraz śrub mocujących.

7. Wyznaczenie na przekroju poprzecznym krzywych opisywanych przez zewnętrzne punkty obrysu korbowodu.

Dalsze kroki

W tym celu wycina się z papieru makietę korbowodu i na rysunku naśladuje jego ruch podczas pracy, tzn. przesuwa łeb korbowodu wzdłuż osi cylindra, a stopę – po okręgu zatoczonym promieniem wykorbienia zaznaczając na rysunku punkty krzywych opisywanych przez najbardziej wystające części korbowodu oraz największe wychylenia boczne obrysu trzon. Obwiednią tych krzywych określa granicę, do której można się zbliżyć projektując dalej silnik. 8. Obliczenie średnic zaworów i rozwiązanie układu komory spalania (rozmieszczenie zaworów, wtryskiwacza lub świecy, komory pomocniczej itp.) oraz kanałów dolotowych i wylotowych. 9. Ustalenie położenia wału rozrządu oraz zaprojektowanie jego napędu. 10. Zaprojektowanie tulei cylindrowej, bloku cylindrowego oraz reszty kadłuba i głowicy. Przebieg ostatnich z wymienionych prac jak również dalsze prace projektowe nad rozwiązaniem układu chłodzenia, układu olejenia, układu zasilania paliwem, koła zamachowego itp., zależą od konstrukcji i nie dają się ująć w ramowy schemat postępowania.

Wybór współczynnika nadmiaru powietrza

Wybór współczynnika nadmiaru powietrza X, który w trakcie obliczeń cieplnych jest zasadniczym wskaźnikiem określającym wysokość średniego ciśnienia użytecznego, lub też bezpośredni dobór pe zależy w głównej mierze od przewidywanych warunków pracy charakteryzujących obciążenie silnika. W latach powojennych ustaliło się wyraźnie – zwłaszcza w zakresie silników szybko- i średniobieżnych – dążenie do budowy silników o możliwie szerokim zastosowaniu. Przystosowanie silnika do różnych celów odbywa się przez odpowiednią regulację, a w razie potrzeby również przez zmianę niektórych jego elementów lub wyposażenia. Typowym przykładem silnika uniwersalnego może być silnik PERKINS 99, który zależnie od przeznaczenia jest różnie przez wytwórcę regulowany; w zastosowaniu do samochodu osobowego moc użyteczna wynosi 31,8 kW przy 4000 obr/min, w zastosowaniu do samochodu ciężarowego – 31,7 kW przy 3600 obr/min, w zastosowaniu do ciągnika – 26 kW przy 3000 obr/min, a jako silnik przemysłowy 26 kW przy 2850 obr/min.

Wielkości objętości skokowej

Wymiary te wyznaczają wielkość objętości skokowej która charakteryzuje również i większość innych parametrów geometrycznych silnika. Przystępując do projektowania silnika należy więc zawsze rozważyć możliwość ewentualnego zastosowania go w innych dziedzinach i w oparciu o to przyjąć do obliczeń odpowiednią wielkość. Po ustaleniu średniego ciśnienia użytecznego oblicza się najpierw objętość skokową jednego cylindra Vs, wykorzystując wzór na moc użyteczną silnika, współczynnik uwzględniający liczbę suwów na jeden obieg silnika; dla dwusuwu x = 1, dla czterosuwu t = 2, moc użyteczna silnika w kW, średnie ciśnienie użyteczne w MPa, prędkość obrotowa silnika w obr/min, liczba cylindrów. Znalezioną wielkość D zaokrągla się do najbliższej średnicy normalnej. Według PN/S-02010 w zakresie od 30 do 100 mm normalne wartości D kończą się na 0, 2, 5, oraz 8, w zakresie D = IOO-H 180 – na 0 oraz 5, a w zakresie ponad 180 mm wynoszą: 190, 200, 210 oraz 225. Następnie oblicza się skok tłoka S = k-D [cm].

Średnie ciśnienie użyteczne

Na podstawie ustalonej średnicy cylindra D oraz skoku tłoka S należy obliczyć ponownie średnie ciśnienie użyteczne, sprawdzając czy wynikające z zaokrąglenia wymiarów D oraz S’ odchylenie pe od wielkości założonej nie jest zbyt duże. Po ustaleniu średnicy cylindra D i skoku tłoka S oraz wyznaczeniu stopnia sprężania s zwykle oblicza się od razu kilka innych wielkości charakterystycznych, potrzebnych do dalszych obliczeń silnika, jak: objętość skokową, przy czym w ostatnim wzorze skok tłoka S podstawia się w metrach. Wybór typu silnika. W zakresie silników dużej mocy panuje niepodzielnie silnik z zapłonem samoczynnym. Podobnie przedstawia się sytuacja w zakresie średniej mocy, chociaż sporą grupę stanowią tu silniki z zapłonem iskrowym zasilane gazem ziemnym, rzadziej gazem wodnoczadowym. Zupełnie odmiennie przedstawia się sytuacja w zakresie silników małej mocy, w którym znajdują zastosowanie niemal wszystkie typy silników. Najbardziej rozpowszechnione są silniki z zapłonem samoczynnym oraz gaźnikowe silniki z zapłonem iskrowym.

Obliczanie głównych wymiarów silnika

Podstawowymi parametrami geometrycznymi silnika są: średnica cylindra D i skok tłoka S, które określa się zwykle jako tzw. wymiary główne silnika. Średnicę cylindra D oraz skok tłoka S można obliczyć kilkoma metodami. Najczęściej stosowana w praktyce metoda opiera się na uprzednio ustalonej wysokości średniego ciśnienia użytecznego pe, którą określa się z obliczeń cieplnych (patrz rozdz. 5) lub też niekiedy dla silników szybkobieżnych przyjmuje się na podstawie starannej analizy danych charakterystycznych silników podobnego typu i zastosowania. Pewnym usprawiedliwieniem takiego postępowania jest wielka różnorodność konstrukcji utrudniająca dobór potrzebnych parametrów i współczynników, a istniejące dane doświadczalne nie zawsze są wiarygodne ze względu na trudności pomiarowe (silniki szybkobieżne – w odróżnieniu od silników średnio- i wolnobieżnych – z reguły nie są konstrukcyjnie przystosowane do indykowania; ponadto przy dużych prędkościach obrotowych uzyskanie dokładnych wyników indykowania nie jest sprawą łatwą).

Czas pracy maszyny

Wówczas czysty czas pracy maszyny wynosi 304-40 minut. Ostateczną ocenę wytrzymałości i sztywności nowych elementów silnikowych dokonuje się podczas badań prototypów prób eksploatacyjnych. Znaczne przyspieszenie opracowania nowych konstrukcji oraz zmniejszenie nakładów na ten cel można uzyskać stosując metody doświadczalne na modelach. Użycie do badań modeli umożliwia: – łatwe porównanie alternatywnych rozwiązań konstrukcyjnych, – uzyskanie dużych odkształceń przy małych obciążeniach, – obciążenie modelu w sposób, który jest trudny lub niewykonalny, bądź też zbyt kosztowny przy badaniach prototypu. Ponadto modele można szybko i tanio wykonać, ponieważ używane do tego celu materiały dają się zwykle łatwo kształtować i są powszechnie dostępne. Wreszcie modele mogą być badane aż do zniszczenia jeszcze przed skonstruowaniem i wykonaniem, co zmniejsza ryzyko wykonania kosztownego prototypu silnika. Modele mogą dostarczyć nawet więcej informacji niż badanie prototypu – jest zwykle to dość oczywiste.

Ogólne uwagi o projektowaniu silnika

Podczas projektowania silnika dla większości elementów najpierw przyjmuje się najkorzystniejsze kształty czy wymiary i harmonizuje je w całość konstrukcyjną, a dopiero potem sprawdza się prawidłowość doboru szczegółów rozwiązań przez obliczenia. Rysunki należy wykonywać w miarę możliwości w skali 1:1, ponieważ wtedy uzyskuje się obraz silnika najbardziej zbliżony do rzeczywistego. Jednak silniki średniej i dużej mocy z konieczności trzeba zwykle rysować w zmniejszeniu. Arkusza projektowego nie należy traktować jako przyszłe zestawienie. Na rysunku tym nie wykańcza się szczegółów, nie rysuje powtarzających się elementów i zespołów, a w razie potrzeby – nie zachowuje się nawet prawidłowości rzutowania. W biurze konstrukcyjnym główny projektant z reguły nie zajmuje się bowiem dokładnym opracowaniem poszczególnych elementów (niekiedy pozostawia sobie trudniejsze elementy, jak np. kadłub lub głowicę), lecz wykonuje to kilku innych konstruktorów – w ten sposób praca przebiega sprawnie i nie pojawiają się błędy.

Arkusz projektowy

Z tego względu arkusz projektowy powinien zawierać możliwie dużo danych potrzebnych do ,,detalowania”, a więc: ważniejsze wymiary i tolerancje, wymagane materiały głównych elementów itp. Po wykonaniu rysunków wszystkich elementów (oczywiście z wyjątkiem części znormalizowanych) sporządza się w celu sprawdzenia wymiarów właściwe rysunki zestawieniowe, zwane popularnie “zestawieniem kontrolnym”, posługując się przy tym rysunkami wykonawczymi. Rysunki zestawieniowe stanowią co najmniej dwa przekroje silnika: poprzeczny i podłużny. W celu pełniejszego wyjaśnienia konstrukcji część podłużnego przekroju silnika wielocylindrowego wykorzystuje się do pokazania jego widoku lub przekroju w innej płaszczyźnie, np. w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wału rozrządu. Często konieczne jest pokazanie silnika w widoku od strony napędów pomocniczych (rozrządu, pompy wtryskowej itp. – po zdjęciu pokrywy), a niekiedy – nawet kilku różnych widoków silnika – czasem konstrukcja jest po porostu bardzo skomplikowana i dlatego się tego wymaga.