JU I SREDNJA ŠKOLA ″Dr.Husein Džanić″ VELIKA KLADUŠA
MATURSKI RAD Tema: Klip koji djeluje na klipnjaču
Mentor: Rusmir Idrizović dipl.ing.maš.
Kandidat: Amir Omeragić
Velika Kladuša, 05.05.2004 godine
2
1. Uvod Motorni ili klipni mehanizam se koristi da pravolinisko kretanje klipa u culindru (poslije eksplozije smješe) pretvori u obrtno ktretanje koljenastog vratila. Motorni mehanizam kod motorni vozila se kristi za pretvaranje toplotne energije u mehanički rad motornog vozila. Motorni mehanizam se sastoji od klipa sa klipnim prstenovima, klipnjače koja je povezana sa klipom preko ležaja sa osovinicom, cilindrom u kome se dešava eksplozija koja pokreće klip. Klipni mehanizam motornog vozila je povezan klipnjačom na koljenasto vratilo i dalje na djelove koji pokreću motorno vozilo. Motorni (klipni) mehanizam je nezamjenjiv kod motornih vozila, od nastanka motorni vozila pa do danas. Međutim klipni mehanizam se ne koristi samo kod motornih vozila, nego koristi se i u mnogim slučajevima kad je potrebno pretvoriti prevolinisko kretanje u obrtno i obrnuto, dakle klipni mehanizam ima široku primjenu.
3
2. Sile koje djeluju na klip 2.1. Klip Osnovna uloga klipa je da prihvati silu pritiska gasova (F g), nastalu u taktu širenja, na sebe iprenese je na klipnjaču, čime on, pomjerajući se, vrši mehanički rad. Klip, dakle, potencijalnu energiju gasova pretvara u mehanički rad. Pored toga, klip ima još sljedeće zadatke: - mora aktivno da učestvuje u procesu rada motora. Kod četverotaktnog motora da u prvom i četvrtom taktu vrši ulogu klipne pumpe, usisavajući i izduvavajući radnu materiju, a u drugom taktu klip djeluje kao klip kompresora sabijajući smjesu. Kod dvotaktnog motora klip ima još i ulogu razvodnika radne materije, jer svojim tjelom otvara i zatvara kanale za razvođenje, - mora da primi promjenjiva opterećenja usljed sila pritiska gasova i inercijalnih sila, kao i visoka termička opterećenja, - mora da odvaja prostor sagorjevanja od donjeg kućišta, - mora da primi inercijalne sile klipnih prstenova i samog klipa, - radi održavanja maksimalno dozvoljene temperature u toku rada motora, klip mora da preko klipnih prstenova dobro odvoditi toplotu na zidove cilindra, da se termički rasterećuje, - sa klinim prstenovima mora da obezbijedi dobro zaptivanje, da spriječi prodiranje produkata sagorjevanja u kućušte motora, - mora da ima dobro vođenje pri klizanju po unutrašnjosti cilindra. Klip se sastoji od čela klipa, blokova sa zonom žlijebova za klizne prstenove i ušice za osovinicu kao na sljedećoj slici.
Slika 1. Konstruktivni elementi klipa
4
Čelo klipa je ravno ili blago ispupčeno, odnosno udubljeno. Kod dvotaktni motora na čelu klipa se često nalazi izpupčenje ili usmjerivač (defektor), kojim se usmjerava smjesa i poboljšava ispiranje cilindra. Oblik čela klipa kao i njegova debljina zavise od radnog pritiska i toplotnog opterećenja klipa. Maksimalni pritisci se kreću u granici prema tabeli 1. Tabela 1. Maksimalni pritisci kod motora
Vrsta motora Oto-motori Dizel-motori sa slobodnim usisavanjem vazduha Dizel-motori sa uduvavanjem vazduha, prehranjivani dizel-motori
Pzmax 40÷70 [bar] 70÷120 [bar] 100÷140 [bar]
Sila koja djeluje na klip ili sila gasova je: Fg = p
D 2π [ N ] , gdje je: 4
Fg[N] – sila pritiska gasova na čelo klipa, p[N/m2] – pritisak gasova u cilindru, D[m] – prečnik klipa. 2.1.1. Opterećenja klipa Pri sagorjevanju u cilindru motora razvija se temperatura i preko 2000°C. Prava je sreća da tako visoka temperatura traje veoma kratko, a radne temperature su znatno niže. Toplota, tako razvijena, prenosi se preko čela klipa, zone žlijebova i klipnih prstenova na cilindre koji se hlade, tečnošću ili vazduhom. Toplotu, također, odvodi i ulje za podmazivanje, što se naročito koristi kod termički jako opterećenih klipova dizel-motora. Različite temperature u pojedinim sektorima uslovljavaju i težnju za različitim širenjem, što je ometano, pa se konstrukcijom i različitim oblicima klipa nastoji to kompezovati. Blokovi klipa su izloženi opterećenju usljed trenja isto kao i žljebovi i ušice klipa. Trenje, a kao posljedica toga habanje cilindra i klipni prstenova, mora se pažljivom obradom klizni površina i dobrim podmazivanjem smanjiti na što je moguće manju mjeru. Smanjenje trenja i smanjenje težine klipa su međusobno zavisni. Smanjenjem težine smanjuju se inercijalne sile a time i normalna sila na bloku klipa. Time se smanjuje i specifični pritisak, odnosno smanjuje se štetno djelovanje trenja. Na trenje klipa otpada približno 45% ukupnog trenja u motoru. Klip se, s obzirom na djelovanje normalne sile i zaustavljanje u mrtvim tačkama, klati oko osovinice, i mjenjajući nagib, neizmjenično pritiskuje suprotne strane cilindra, što izaziva šum, ''lupu''. Smanjenjem zazora između klipa i cilindra šum se smanjuje, ali zazor se nesmije smanjiti ispod propisanog, jer je on uvjetovan termičkim širenjem klipa pri zagrijavanju.
5
Klip je načelno cilindričnog oblika. Ali, on mora da odstupi od tog oblika zbog različiti temperatura duž blokova, pa time i različitog širenja. Zazor između klipa i cilindra mora se tako odabrati da ni u kakvim uslovima ne dođe do zaribavanja klipa u cilindru, ali ni do šuma usljed prevelikog zazora. Zazor zavisi od dimenzija klipa i termičkog opterećenja i različit je duž klipa. Najveći zazor je blizu čela klipa, a idući niže zazor opada. Zazor ''na hladno'' pri čeonoj ivici iznosi za klipove od Al-legure približno (0,005÷0,008) od prečnika klipa D, a na visini ušica klipa (0,0006÷0,003) D. Najmanji zazora ''na hladno'' je pri dnu bokova klipa i iznosi (0,0003÷0,001) D. Pri puštanju motora u rad, dok se klip nije još zagrijao, javlja se šum, koji se zagrijavanjem klipa brzo smanjuje, jer se i zazor smanjuje. Da se klip učini elastičnijim, te da se bolje prilagode bokovi klipa promjenama temperature i radi boljeg nalijeganja rasjecaju se bokovi uzdužno. Ušice klipa, u kojima se klip veže sa osovinicom za klipnjaču, postavljaju se teoretski na sredinu. Međutim, u praksi je obično vršni pojas nešto duži, djelimično i radi toga da se mogu smjestiti svi klipni prstenovi, naročito kod kraći klipova. Veoma je značajno kako će se izvesti vezivanje dna klipa i ušica, jer od toga uglavnom zavisi deformisanje klipa pri zagrijavanju u radu. Načelno se ušice vežu za blokove, a neposredno za dno, uz povećanje mase klipa oko ušica da bi se ušice ojačale. Broj i veličina kanala za klipne prstenove zavisi od broja klipni prstenova koji se predviđaju, a odstojanja prvog žlijeba od ruba čela klipa i žljebova međusobno su u neprestanoj vezi sa mehaničkim i toplotnim opterećenjima klipa. Dno klipa, unutrašnja strana čela klipa, izvodi se tako da se debljina idući ka periferiji povećava, odnosno, da dno na sredini bude najtanje. Ovo je opravdano sa stanovišta mehanički i termički opterećenja. Na nekim klipovima dno ima rebra radi ukrućenja i povećanja površine predaje toplote ulju, koje zapljuskuje dno sa donje strane. Debljina zida klipa ne može se tačno proračunati, jer nemože da se postavi tačno jednačina koja bi odgovarala složenom opterećenju klipa. Stoga se obično proračun vrši prema približnim postupcima ili, štaviše, na osnovu čisto praktični podataka za izbor dimenzija klipa. Širina klipa se određuje po formuli: G 1 D sin γ p c 2 pc = 0,3÷1 [kp/cm ] – specifični pritisak na zidove cilindra G [N] – težina cilindra D [cm] – prečnik cilindra γ - ugao gdje se pri ponovnom struganju klipa, material uopšte neskida B=
6
2.2.
Klipni prstenovi
Klipni prstenovi imaju veoma značajnu ulogu u sklopu klipnog kompleta. Treba da zaptivaju zazore između klipa i klizne površine cilindra, da stružu ulje sa zidova cilindra, da prenesu toplotu sa klipova na zidove cilindra i time vrše hlađenje klipa koji je termički veoma opterećen. Osim toga, klipni prstenovi imaju ulogu vođenja klipa i smanjenja površine trenja. Zaptivanje je potrebno da se spriječi prodor vreli gasova u kućište motora, a i da se spriječi prodor ulja u prostor za sagorjevanje. Da bi sa uspjehom obavili navedene zadatke, oni moraju imati: • Veliku elastičnost, kojom se postiže dobro zaptivanje, • Biti dobri provodnici toplote, • Imaju dovoljno veliku otpornost na habanje (tvrdoću), ali ne veću od tvrdoće cilindra, • Imaju malu specifičnu težinu, zbog manji inercijalni sila, • Da se lakoobrađuju. Ovo su veoma rigorozni zahtjevi i teško ih je u potpunosti ispuniti. Ipak, osnovno je da klipni prstenovi dobro zaptivaju i da skidaju ulje sa zidova cilindara. Kako to isti prstenovi ne mogu obaviti, prstenovi se dijele na kompresione ili gasne i strugače ili uljne. Zadatak komresionih prstenova je da zaptivaju zazor između klipa i zidova cilindra, i da spriječe prodor vrelih gasova pored klipa u motorsku kućicu. Ako klipni prstenovi to ne obavljaju, onda nastaje smanjenje tog korisnog pritiska u cilindru i raspoložive energije, a time i snage motora. Djelovanje klipni prstenova prikazano je na (slika 2.). U taktu sabijanja (a), prstenovi su oslonjeni na donju ivicu žlijebova i priljubljeni su uz cilindar sopstvenom elastičnošću i pritiskom smjese (vazduha) ostvrujući dobro zaptivanje. U taktu širenja (b), mjenjaju oslonac, s tim što sad uljni prstenovi skidaju ulje sa zidova cilindra i vraća ga u donje kućište.
Slika 2. Djelovanje klipni prstenova
7
2.3.
Osovinica klipa
Uloga osovinice klipa je da ostvari pokretljivu vezu klipa i klipnjače, te da prenosi sile sa klipa na klipnjaču, i obrnuto. Osovinica, zbog znatnih mehaničkih opterećenja, mora biti dobro dimenzionisanja, ali opet, ne preteška, da se ne bi povećale inercijalne sile pri njenom ubrzavanju i usporavaju zajedno sa klipom i malom pesnicom klipnjače. Osovinica se izrađuje od čelika za cementaciju i čelika za nitriranje. Zbog malog zazora u ušicama klipa i nepovoljnih uslova podmazivanja, potrebno je osovinicu raditi sa visokim kvalitetom obrađene površine, velike površinske tvrdoće i visoke tačnosti izrade. Veza osovinice sa klipom i klipnjačom može biti: Čvrsta veza u ušicama klipa, a slobodno okretanje u maloj pesnici klipnjače, Čvrsta veza u maloj pesnici klipnjače, a slobodno okretanje u ušicama klipa, Slobodno okretanje u maloj pesnici klipnjače i ušicama klpa (''plivajuća'' osovinica), ovo reješenja se najčešće primjenjuje zbog najbolji svojstava. Osovinica klipa je izložena savijanju, smicanju i površinskom pritisku. Prečnik osovinice izračunava se iz momenta savijanja, a provjerava na površinski pritisak.
Slika 3. Sile koje djeluju na osovinicu Najveći moment savijanja:
F ⋅ a[ kNcm] , gdje je: 2 L− l a= [ cm] 4 Ms =
Najveći napon savijanja iznosi:
σ
s
=
Ms ≤σ W
sd
, gdje je:
d 3π W= 32
8
Spajanjem jednačina možemo doći do formule za prečnik osovinice, pa je:
d=
3
5F ⋅ l [ cm] 4σ sd
Površinski pritisak osovinice iznosi:
p=
F ≤ pd d⋅l
Pd = (1÷1,4) kN/cm2 – dozvoljeni površinski pritisak
3. Sile koje djeluju na klipnjaču 3.1.
Klipnjača
Klipnjača ima zadatak da silu pritiska gasova u taktu širenja prenese sa klipa na koljenasto vratilo, pretvarajući istovremeno pravolinisko kretanje klipa u kružno kretanje koljnenastog vratila. Osnovni djelovi klipa su mala pesnica kojom se klipnjača veže za klip preko osovinice klipa, stablo ili tijelo klipnjače koje veže malu i veliku pesnicu, velika pesnicaklipnjače kojom se klipnjača veže za koljenasto vratilo, te čahura male pesnice, polušolje velike pesnice klipnjače i elastični zavrtnji koji vežu poklopac za veliku pesnicu klipnjače kao na (slika 4). Konstruktivni oblici klipnjače su vrlo različiti, ali u osnovi teži se što manjoj težini zbog inercijalni sila klipnjače, i što jednostavnijoj konstrukciji. Mala pesnica klipnjače redovno je jednodjelna i veže klipnjaču za klip, cilindričnog je oblika. Da bi spoju klipnjače sa klipom dala dobra klizna svojstva, utiskuje se u malu pesnicu čahura od bronze, najčešće od olovne bronze, ili rijeđe čahura od Al-legura.
Slika 4. Klipnjača sa polušoljama ležaja
9
Tijelo klipnjače se radi okruglog, kružnoprstenastog ili T-profila, a ovo je posljednje riješenje najčešće u primjeni. Klipnjača je izuzetno nepovoljno opterećena, jer se opterećenje mjenja i po intezitetu i po smijeru djelovanja. Velika pesnica klipnjače veže klipnjaču za rotirajući rukavac koljenastog vratila. Ona je stoga znatno većih dimenzija, jer je prečnik rukavca radilice veći od prečnika osovinice. Najčešće se radi dvodjelna, sa jednim djelom koji je cjelina se tijelom klipnjače, dok se drugi dio, kao poklopac, veže specijalnim elastičnim zavrtnjima. Klipnjače se rade kovanjem u ukovnjima najčešće od čelika za poboljšanje sa (0,35%÷0,4%) ugljika legiranog manganom, siliijem ili hromom. Na taj način se dobivaju minimalne dimenzije, uz potrebna mehanička svojstva. Najčešće neispravnosti klipnjače su istrošeni ležaji. To se može prepoznati po ''lupanj'' u motoru, koje ima karakterističan metalnizvuk. Najčešći uzrok koji dovodi do ove pojave je nedovoljno podmazivanje. Pri spajanju klipa i klipnjače, treba provjeriti njihovu međusobnu ispravnost u sklopu. Vezivanje klipnjače sakoljenastim vratilom, pomoću elastični zavrtnjeva, treba obaviti pažljivo, moment-ključem, moment koji propisuje propisuje proizvođač u upustvu za montažu.
Slika 5. Koso rezanje klipnjače dizel-motora
Klipnjače dizel-motora, zbog veći dimenzija rukavca koljenastog vratila, imaju znatno veće otvore velike pesnice. Da bi se, ipored toga, klpnjače mogle da vade najviše kroz cilindar, često je ležaj velike pesnice rasjeca iskošeno (slika 5). FNT F NN
FN FT
FK
β α GMT
h
r
α Slika. 6. Sile koje djeluju na klipnjaču
10
FN DMT
Sila koja djeluje na klipnjaču: D 2π Fk = p[ N ] 4 D[m] – prečnik klipa p[N/m2] – pritisak gasova Sa slike 8: FN = FK cos β - normalna sila FT = FK sin β FK =
- tangencijalna sila
F + F 2 T
2 N
Sila F N prenosi sa na rukavac koljenastog vratila, gdje se rastavlja na tangencijalnu komponentu FNT i radijalnu komponentu FNN. Moment koji djeluje na koljenasto vratilo: M = r⋅ FN FV = m⋅ a = m⋅r⋅ω2cosα m – masa klipnog mehanizma Ubrzanje klipa: a = m⋅r⋅ω2cosα
11
4. Zaključak Izgorjela smjesa benzina i zraka pri širenju potiskuje klipove prema dolje i na taj način daje pogonsku snagu motora. U automobilima kakvi se danas proizvode, pri najvišem broju okreta motora klip svake sekunde oko sto puta putuje gore-dolje po cilindru. Razumljivo je da se pri tome naglo mijenjaju opterećenja; zato klipovi moraju biti vrlo čvrsti, ali laki. Stoga su u suvremenim automobilskim motorima klipovi izrađeni od aluminijskih legura. Zbog temperatura prilikom izgaranja goriva se klipovi od lakog lijeva šire, a isto tako i cilindri od sivog lijeva. Prostor između klipa i provrta cilindra brtve klipni prsteni. Obično su dovoljna dva klipna prstena koji sprečavaju prodiranje plinova u kućište koljenastog vratila. Uljni prsten otire suvišno ulje s cilindara i vraća ga u korito motora. Pravocrtno gibanje klipa se pomoću klipnjače i koljenastog vratila pretvara u okretanje. Klipnjače su obično kovane. Gornji kraj klipnjače (glava klipnjače) je klipnim svornjakom gibljivo spojen s klipom. Da bi bili što lakši klipni svornjaci su šuplji. Opružni prsteni koje zovemo osiguračima klipnog svornjaka sprečavaju izvlačenje klipnog svornjaka iz klipa. Donji kraj klipnjače (noga klipnjače ili velika pesnica) spojen je s koljenastim vratilom i dok klipnjača prati gibanje klipa gore-dolje, okreće se na ležaju klipnjače. Glava klipnjače (mala pesnica) obuima klipni svornjak koji je uležajen u klipu, a noga klipnjače (velika pesnica) se okreće na klipnjačinom ležaju koljenastog vratila. Klipovi većinom imaju malo ovalan presjek. Tek zbog toplinskog rastezanja postaju okrugli. Kod nekih drugih vrsta prorezi u tijelu klipa izjednačavaju rastezanje. Vodoravni prorezi ograničavaju širenje topline od čela na tijelo klipa.
12
Literatura 1. ''Motori sa unutrašnjim sagorjevajem'' Predrag Todorević, Sarajevo 1990. 2. www.google.com 3. www.oktani.com
13
Sadržaj 1.Uvod
1
2.Motorni ili klipni mehanizam
2
3. Sile koje djeluju na klip 3.1.Klip 3.1.1.Opterećenja klipa 3.1.2.Regulacioni klipovi 3.1.3.Klipovi sa uzdužnim prorezom
3 3 4 6 7
3.2.Klipni prstenovi
7
3.3.Osovinica klipa
9
4.Sile koje djeluju na klipnjaču 4.1.Klipnjača
10 10
5.Zaključak
13
Literatura
14
14
