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.

EMC – Elektroniczne maszyny cyfrowe

Obecnie bez użycia EMC wykonuje się tylko obliczenia bardzo proste lub przybliżone, ponieważ obszerne obliczenia, np. dotyczące zagadnień optymalizacji nie mogą być ręcznie w ogóle wykonane. Znając warunki brzegowe można za pomocą elementarnych metod obliczeniowych (np. zasady Castigliano) wyznaczyć przebieg sił i momentów, a stąd rozkład i wartości naprężeń w stopie korbowodu. Wskutek tego bardzo uproszczonego założenia, tą metodą można względnie prawidłowo oszacować tylko rząd wielkości obciążeń oraz określić tendencję ich wzrostu przy zmianie głównych wymiarów stopy. Z prawej strony pokazano zastępczy schemat stopy korbowodu przygotowany do obliczeń metodą elementów skończonych (układ dwuwymiarowy). Cała stopa jest przedstawiona jako zbiór prostych, geometrycznych elementów płaskich, w tym przypadku trójkątów. Warunek zapewnienia równowagi statycznej i zgodności kinematycznej elementów prowadzi do układu równań liniowych z bardzo dużą liczbą niewiadomych – nie jest to łatwe zadanie.

Zmniejszanie wymiarów

Taki układ równań może być rozwiązany jedynie za pomocą dużej maszyny cyfrowej. Przez dowolne zmniejszanie wymiarów elementów można bardzo dokładnie odwzorować geometryczny kształt rozważanej części, dzięki czemu obliczone odkształcenia i naprężenia będą bardzo bliskie wartościom występującym w rzeczywistości. Za pomocą podobnego schematu zastępczego można rozwiązywać dowolne przypadki rozkładu obciążeń, np. takie jak pokazano na rysunku w książce Niewiarowskiego: od siły ciśnienia gazów Pg, siły bezwładności Pb i wstępnego napięcia śrub Ps. Porównanie “ręcznych” metod obliczeniowych z obliczeniami wykonywanymi na maszynach matematycznych pod względem nakładu czasu i środków na pewno w wielu przypadkach wypadnie na korzyść tych pierwszych. Z drugiej jednak strony możliwości wszechstronnych rozwiązań na EMC są nieporównywalnie większe. Dlatego pierwsze zgrubne obliczenie wykonuje się ręcznie. Dopiero gdy dochodzi się do przekonania, że ma się do czynienia prawie z ostatecznie wybraną konstrukcją stosuje się metodę elementów skończonych.

Uproszczenia przy projektowaniu silnika

W praktyce nie jest możliwe przeprowadzenie obliczania odzwierciedlającego w pełni rzeczywiste warunki pracy danego elementu, rzeczywiste wielkości obciążeń i przebieg ich oddziaływania na ten element. Zmusza to do wprowadzania w obliczeniach znacznych uproszczeń. Zasadniczo wyniki obliczeń mają więc tylko wartość porównawczą. Uzyskane wyniki porównuje się bowiem z wynikami obliczeń przeprowadzonych z zachowaniem takich samych założeń dla analogicznych elementów silników uznanych za konstrukcje udane. Z tego względu nie należy przyjmować dopuszczalnych naprężeń określonych dla odmiennych lub nieznanych warunków pracy, bądź też dla innych maszyn niż tłokowe silniki spalinowe. Ten sam materiał bowiem zależnie od warunków pracy może dopuszczać bardzo różnorodne naprężenia. Przykładem mogą tu być dopuszczalne wartości nacisku jednostkowego dla stopu cynowego, użytego na różne łożyska silnika wodzikowego: sanki wodzika pdop = 0,4-=-0,8 MPa, łożyska główne wału korbowego pdop = 8-J-10 MPa, łożyska wodzika pdop = 12H- 18 MPa.

Postęp w technice

Znaczny postęp w technice projektowania przede wszystkim dało wprowadzenie do obliczeń elektronicznych maszyn cyfrowych (EMC), co wymaga jednak istnienia odpowiednich metod obliczeniowych, dostosowanych do rozwiązania na EMC, oraz opracowania odpowiednich programów obliczeniowych. Dzięki rozwojowi dużych i szybkich maszyn matematycznych można obecnie wykorzystać znane już wcześniej skomplikowane metody obliczeń wytrzymałościowych oparte na teorii sprężystości, ujmowane obecnie pod wspólną nazwą “metoda elementów skończonych”. Różnicę, jaka leży obecnie między metodami obliczeń “ręcznych” a metodami obliczeń przystosowanych do wykonania na EMC, można prześledzić na przykładzie obliczenia korbowodu. Z lewej strony na rysunku u Niewiarowskiego pokazano schemat obliczeniowy stopy korbowodu, którą do szacunkowej oceny naprężeń traktuje się jako pręt silnie zakrzywiony o stałym przekroju i stałym momencie bezwładności na całym obwodzie (na rysunku przedstawiono tylko symetryczną połowę stopy).

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.