7. Tlak média na píst

1 2.5.1

Základy teorie klikového mechanismu

Strední rychlost pístu: e, = 2L. n ,

Pohybové pomery v klikovém mechanismu (byly odvozeny v mechanice) 1. Dráha pístu v libovolném míste (obr. 160):

kde L = 2r je zdvih pístu (m), 11 - otácky stroje (s - 1).

x = r[(1 - cosa) :t 1.1. . sin 2a] , kde r je polomer kliky, I - délka ojnice, J..= rtl, bývá od 1/3,5 urychlobežných bežných kompresoru a cerpadel, a - úhel pootocení kliky.

3. Zrychlení dc

spalovacích motoru, do 1/5 u pomalo-

o

pístu

v libovolném bode (obr. 16c):

d2x

= -dt = ~dt = r. w2(cosa :t A. cos 2a).

Extrémní hodnoty: píst i klika v zadní úvrati zú a = 00 ,

aj

Pro nekonecne dlouhou ojnici:

a = 1(,

ao = r . w2 . cos a .

ad = r.w2(1 - J.).

v klikovém mechanismu (odvození

t..

I

:3I :J t..

Oh,.. /6. Schéma

klikového

mechanismu

a) urceni dráhy x, b) prubeh teoretické a skutecné rychlosti c, c) prubeh a skutecného zrychlení a.

pro výpocet rychlosti

teoretického

pohybových

pomeru

pístu Co pro nekonecne

zrychlení

~

~.+

-i~ Ohr. /8. Schéma sil v klikovém

s< _vacných a odstredivých

mechanismu

ojnici

Fs

= m,. a ,

kde ms je hmotnost

Pro nekonecne dlouhou ojnici I = 00, A = O:

mp - hmotnost ml -:- hmotnost mk - - hmotnost l1Ios- hmotnost

Xo = r(1 - cos a) . 2. Rychlost pístu v libo(olném míste (obr. 16b): r. w(sin a :t 1.1.. sin 2a),

1;

2. Setrvacná síla posuvných hmot (obr. 18):

zú, pú - zadní a prední úvrat kliky

=

.RCJ

ojnici dlouhou

zú. pú - zadní a prední úvrat pístu,

~~

p

Ob,.. /7. Tlak média na píst

dlouhou

pístu (10pro nekonecne

4"

tm

ot..

=

v mechanice)

1(. D2

F.=-

.-

..

c

r . w2( I

1. Vnitrní síla (tlak média) na píst (obr. 17):

;) '"

=

píst i klika v prední úvrati pú

Silovépomery bJ

Oh

pro nekonecne

dlouhou

ojnici:

ms = mp +. ml + mk + mos, posuvných

hmot,

úplného pístu (vcetne pístního cepu a kroužku), pístní tyce,

križáku, posouvající

Se cásti ojnice.

+

),),

Extrémní Fsm"x

=

hod!}oty jS~ll v úvratích:

=

FSh

L.

= ms.r.cu2(1+ A),

ms.ah

Fsm;o = FSd = ms.ad = ms.r.cu2(1-

A).

pro }. = 1/5 je tg 13m"x= rJI = 0,2 , Fom.x = 0,2F,

Fomax=

F

F

cos Pm.x = 0,98 == 1,02F

.

3. Odstredivá síla rotujících hmot (obr. 18): Fc

=

mc . I' . cu2

,

mc = mr + mor,

kde mc je hmotnost rotujících cástí klikového mechanismu, m. .1"

mr =

L~

IIIj lIIorcu =

polomer kliky 1', hmotnosti jednotlivých cástí zalomení kliky, polomery težišt jednotlivých cástí zalomení, hmotnost rotujících cástí ojnice, 2n . II - úhlová rychlost.

rj

I'

- hmotnost zaloinené cásti klikového hrídele redukovaná na .

5. Síly na klice (obr. 19): radiální

Fr = Fo. cos (Ci.+

tangenciální

Ft = Fo. sin (a + {3).

Extrémy:

(i),

Ftmax = Fomax ==1,02F

pro Ci.+

Frmax = F

pro

C(

(3= tn ,

= O nebo 1t .

~

Pro rychlobežné spalovací motory bývá mos = 0,3mo,mor = 0,711I0, kde moje hmotnost úplné ojnice.

Obr. 10. Schéma vyvažování odstredivých

sil

4. Výsledná síla na pist (obr. 19): F

= Fj +

Fs

+ mp' g ,

(clen IIIp. g se uvažuje pouze u stojatých

stroju).

6. Vyvažování: a) odstredivé síly (obr. 20):

. Fc

= mc.

r. cu2 = mcz. z. cu2,

mcz = mc. rlz je hmotnost vývažku pro vyváženíodstredivých sil;

F"

ms Obr: 21. Schéma ~.. setrvacných sil

Obr.19. Síly V klikovém

mechanismu

hú. dú - horní a dolní úvra( kliky

b) setrvacné síly (obr. 21): setrvacná síla

Rozklad sil na pístním cepu: normálová síla síla v ojnici

FIt = F . tg f3 - je zachycena stenou válce, F Fo = -, cos /3

Fs

=

ms

.a =

ms .r . cu2(cos Ci.::!: A . cos 2Ci.),

odstredivá síla závaží vyvažující setrvacnOll sílu Fs: Fcs = mcz. z . CUl

vyvažování

/)

~

a její složky:

horizontální . ' ' vertl k a I OJ

F esh = m" . z . w2. cosex, .

2.5.2

Písty S príslušenstvím

Písty

F esv = msz . z . W 2" . SIn ex.

Pracovní prostor pístového stroje je vytvoren válcem, víkem válce a posuvnou prícnou stenou urcitého tvaru - pístem. Na píst tlací u motoru tlak média, píst vykonává posuvný pohyb a prenáší jej na pístní oko ojnice (u zkráceného mechanismu). Základní druhy pístu jsou v tab. 8.

Pri zanedbání setrvacné síly 2. rádu bude: Fs = Fesh, ms. r . w2 . cos ex= msz. z . w2 . cos ex, kde mszje hmotnost vývažku posuvných hmot.

Požadavky na píst: a) velká pevnost, u tepelných stroju i za tepla, a odolnost proti korozi, b) dobré l;luzné vlastnosti i pri ztížených mazacích podmínkách a odolnost proti oteru a opotrebení, c) primerená tvrdost a pritom uspokojivá vrubová houževnatost, d) malá hustota; zejména u rychlobežných stroju lehký píst zmenšuje velikost setrvacných sil se všemi dusledky pro vyvážení, zatížení ložisek, ojnice atd., e) malá tepelná roztažnost (pokud možno stejná nebo menší než roztažnost mate. riálu válce) a dobrá tepelná vodivost (pro zamezení místního prehrátí),

Nevyvážená složka Fesv se u vertikálních stroju zachycuje základovými šrouby. U horizontálních stroju se v praxi vyvažuje jen tms.

.

Tah. 8. Základní druhy pístu Písty

D

I Kotoucový

;

I

I I

Plunžrový

5

I

Trubový

CI ~ ci '0

6

I

-t.

Muže být deskový nebo du-

4{

aj

r'

o,

2

Pripojuje se pevne k píst ní tyci, prochází predním ví. kem s ucpávkou. Používá se vetšinou u cerpadel a cástecne u kompresoru

ci.

~I~ ~ ~

+~

o

~, ci

~ ~

:rnr.i:\1ní\ ) :stupnovy píst. Nejcasteji je prípojen k ojnici kyvne, u cerpadel pevne k pístní tyci. Používá se u dvoustupnových kompresoru a di- . [erenciálních cerpadel

91

~

O.~D

ci

locinných >toru a

1 o'" 'N o .,.., ~

ci

'N o <::> ~

k ojnici

'N o

"" ~

q ~fó ~ /

ení

::;

CI co

Q

;

b) I I

CI CI

~.

I

L-

tý. Pripojuje se pevne k pístni tyci. Používá se u velkých dvou. cinných spalovacích motoru; kompresoru a parnich p del

o 9 ci

ci

I

I

ci'N

o N

!I

iI E

CI

N

O,85D

I;L 14 a)

b)

c)

Obr. 22. Konstrukce trubových pístu a) názvosloví: 1 drážka pro spodní stírací kroužek, 2 pojistný kroužek pro díry, drážka pro horní stírací kroužek, 4 drážky pro tesnicí kroužky. 5 dno pístu, 3 6 žebro, 7 vzdálenost prvního kroUžku od dna, 8 výška partie kroužku:

-

-

-

-

-

-

-

9 - délka svršku pístu, 10 plášt pístu, 11 délka spodku 13 - vzdálenost pístních ok, 14 délka pístního cepu; b) relativní rozmery pro vznetové motory; c) relativní

rozmery

pro zážehové

-

motory

-

-

pístu, 12

-

pístní oko,

:T

.s

o O~ o

.:;

< ,
"O ...,

o

'O o ()< !!

-.

L

Tab. 9. Materiály

pro trubové písty a jejich vlastností

I"

I I

Slitiny hliníku

Litiny

I

horcíku Slitiny

Druh materiálu

tvárná

temperovaná perlitická

šedá .

Oznacení CSN

42 2420

42 2550

3 až 3,5 % C

Obsah hlavních prvku

perlitickoferítícká

AI-Cu1)

422306

424356 6až8%Cu I %Fe

nepredepisuje se

1,5%Si 7,06

7,4

7,18

!

Mg-AI !

2,5 % Zn Hustota

AI-Si . nadeutátická

AI-Sí eutektícká

AI-Cu-Ni-Mg

424911

424387

424336

424315

1,5 až 2 % Cu 7,5 až 9 % AI 3;75 až 4,5 % Cu 0,8 až 1,3% Cu 0,5 až I %Ni 1,75 až 2,25 'Y.,Ni I až 2 % Ní I až 1,75 % 'v1g 11.5 až 13 % Si 19,5 až 22 % Sí 0,9 až 1,3 ";,Mg 10,75 až 1,1 % Mgj

i

I

1,9

až 3

2,75

2,7

2,65

25

22,5

20 až 21

[7 až. 19

I

(10-3 kg. m-3) Tepelná roztažnost

I

I

10 až 12

12 až 13

12,7 až 13,4

(lO-6mm.mm-l.K-l)

Tepelná vodívost I

!I

,

44 až 47

45 až 50

88

29 až 32

92

109 až 121

(W.m-I. K-I) 180 až 220 170 až 210

Pevnost v tahu (MPa) pri 20°C pri 300 °C

min. 200 min. 170

Kluzné a trecí vlastnosti

Cenovévlastnosti

113

i

---j--

Tvrdost HB pri 20°C pri 300 °C

Modul pružnosti (MPa)

26 I

200 až 240 180 až 220

220 až 280 200 až 250

I

70 až 150 30

80 až 100 32

I

min. 540

velmi

velmi

dobré

dobré

levné

I

levnejší

i I I

velmi

dobré levnejší

80 až 120

30

30 až 32 I

,

min. 600 až 200 540 I1130 80 až 120 154 000 až 169 000

98 000 až 110000

!

80 až 100

65 12

200 až 270 90 až 110

i;

73 500

dobré

dobré

dražší

dražší

I

I

i -t.--I,

157 až 177 90 až 120

I

150 až 200 80 až 120

76500

77 000 až S6000

dobré

db'

I

160 až 230 70

I

I

! II i

42 000 ----J

I

menší

o re:_--Ltnost

dražší

!I i

dražší

..1) Dnes se již pro vysokou krehkost a velkou tepelnou roztažnost užívá co nejméne, a to jen u pístu se šterbinou anebo s invarovou vložkou

I

drahé

I

J I

s-

Dále se kontroluje tlak mezi pístem a válcem: Fnmax'

P

.

= D.~ ~ Po = 0,15až 0,45MPa.

U tepelne namáhaných pístu je nejvíce namáháno dno. Proto je treba prizpusobit tvar pístu ve studeném stavu teplotním pomerum pri provozních podmínkách. Obvykle u vetšiny spalovacích motoru vyhovuje povrch pístu ve tvaru dvou souosých kuželu, protínajících se u drážky stíracího kroužku nad pístním cepem (obr.24). Aby mel píst za tepla požadovaný kruhový tvar, vyrábí se za normální teploty s oválným tvarem (v dusledku ruzné tepelné roztažnosti pístu v navzájem kolmých rovinách, zpusobené nahromadením materiálu u ok). Místo oválného broušení je možno odfrézovat cásti pístu v okolí ok pístních cepu.

Pistní cepy jsou normalizovány. Prumcry pístních cepu se urcí z empirických vzorcu podle prumeru válce (obr. 27): pro pomalobežnéspalo\lací motory: pro rychlobežné spalovací motory: Vnitrní prumer dutého cepu: Ft

d = (0.35až 0,50)D, d = (0,31až 0,41)D.

dl = (0,55až 0,75)d.

't5'1"t:J

Obr. 27. Ná vrh a kontrola Obr. 25. Písty zážehových

motoru

s rozríznutým

pístního cepu nD2 F;n,,, = --.4 Pm" je maximální

pláštem

tlaková

síla plynu na pist

Pistní cep se kontroluje (obr. 27, viz též Stavba a provoz stroju I): a) l1aohyb: M (Jo = Wo o

~ (JDO = 80 až 150až 330MPa (podle materiálu),

b) Obr. 26. Písty zážehových se cleny regulujícími a) píst s okénkem vložkou. vložkou

motoru

Mo

=

F;;ax.

roztažení

a invarovou

b) píst se zalítou invarovou

(i -

~ = ~_. d4 - di 10

d

~), '

b) na otlaéení v ojnicním oku: Písty se cleny regulujícímiroztažení.Rozríznutí plášte pístu dovoluje menší vule pístu (obr. 25). Písty s invarovou vložkou (obr. 26) mají zalité desticko~é regulacní cleny z legované oceli.

c) na otlacení v okách pístu: Fimax'

PI =

U

~ POI = 30 až 60 MPa ,

Fimax

P2 = (l

_ e).d ~ P02 = 20 až 50 MPa

.

Pístní cepy Prenášejí tlak plynu ve válci i setrvacné síly pístu na ojnici. Bývají zpravidla duté, z cementacních ocelí 12020, 14220, nebo výjimecne i 16520 (úzkoprofilová drahá ocel), nebo z nitridacních ocelí 15230 (HRC = 55 až 63). V poslední dobe se však používají casto pístní cepy.indukcne povrchove kalené (12050).

Pístní cep se maže olejem rozstríkaným v klikové skríni otvory v pístních okách nebo tlak?vým olejem privádeným do ojnicního oka vrtanou ojnicí apod. Zpravidla je pístní cep uložeri v okách hliníkového pístu pevne (N6/h4 nebo N7/h6) a v ojnicním oku otocne (E8 nebo D8/h4, E8 nebo D8/h6).' Muže to být i naopak; tzv. plo-

6' 2.5.4

\,

. . Ojnice

~;r';':f

\',

~.,.~';;.,.~.;1. . '~'-"

,\,< .~<

vOl/cicep se po zahrátí pístu otaél v okách pístu i v ojnicním oku. Proti osovému posunutí se pístnícep pojištuje pojistnými kroužky do der nebo zátkami z plastu. Utesneni pístu - pístní kroužky Nejlépe a nejcasteji se písty utesnují kovovými rozríznutými samocinne pružícími kroužky. Pístní kroužky jsou: ,

,

~\\

a) tesnící. které zamezují pronikání plynu z pracovního prostoru válce nad pístem do klikové skríne (obr. 28a, b, c), b) stírací. které zamezují pronikání oleje z klikové skríne do pracovního prostoru, ale mají propustit urcité množství oleje nutné k mazání kluzné plochy válcu (obr. 2Sg.h. i).

d)

+

"

'.';J.. ~~!oL~

,\::" .;....

~"

~/ .,:

J

4

'\

gJiw

e)

L//1

~

'\

5

\

.

,., '.

\:"

'-"<

t

b)

DI

\

\, 2

Q,

\'."

Spojuje klik6vý cep s pístním cepem. Skládá ~,(obr. 34) z dtJku.~-dvou ojnicních hlav, klikové a pístní. Hlavy mohou být nedelen~zavrené) nebo del~pé. \ístní hlava koná prímocarý pohyb, kliková hlava rotacní, ojní~ jako celel( kon~ kývavý pohyb. Možnosti usporádání ojnic rychlobežných strojtl'Oisouna obr. 35. ..,ft..

h)

.

Obr. 34, Ojnice stojatého rychlo bežného kompresoru I - pístní ojnicní hlava (ojnicní oko), 2 -

bronzové pouzdro, 3 - drík, 4 - kliková ojnícní

hlava, 5 - pánev (kompozice nebo bronz)

i)

f)

C)

,.

',:"-

\

.,e~

\

pE

\ \.

Ob,..28, Pístni kroužky Prolily tcsnicích kroužku:

a) válcové, b) zkosené,c) lichobežníkové

o)

b)

Spáry (zámky) tesnicích kroužku: d) kolmé, e) šikmé, J) presazené Prolily

stí racích

kroužku:

g) polozkosené,

\~

h) osazené, i) s výrezy, j) funkce tesnících kroužku

Pistni kroužky se vyrábejí z jemnozrnné speciální šedé litiny. Pro podradnejší úcely se používá i šedá litina tepelne nezpracovaná (42 2420 a 42 2425). Aby se zkrátil zábeh kroužku, vyvinulo se mnoho zpusobu povrchové úpravy kroužku, jako galvanické pocínování, fosfátování, grafitování atd. Zvlášt vho~né je chromování prvního kroužku, címž lze prodloužit jeho žívotnost trikrát až petkrát pri dvojnásobném prodloužení životnosti ostatních nechromovaných kroužku í válce, snížit spotrebu oleje o 10 až 20 % a snížít sklon k zadírání u vzduchem chlazených motoru. V poslední dobe vyrábejí Kovohuty Mokrad též pÍstní kroužky ze spékané oceli s obsahem 4,7

c)

d)

Obr. 35. Druhy ojnic rychlo bežných stroju a) obe hlavy zavrené (napr. u dvoudobých motocyklových motoru), b) pístni hlava zavrená, kliková delená (nejcastejší usporádání), c) jedna z úprav ojnice pro motor s válci do V, nebo i hvezdicový motor, d) rozvidlená klikóvá I - hlavní ojnice, 2 vedlejší ojnice

% CuPb, které mají vyšší odolnost proti oteru a i ostatní mechanické vlastnosti

-

hlava (pro motory do V)

maií leoší než litinové kroužky. Protože se vyrábejí prevážne lisarskou techníkou, jsou tyto kroužky í levnejší. Rozmery kroužku se volí podle CSN (viz ST). Pro návrh slouží VZorce (obr. 2Sa): t

Materiál

a konstrukce

.

= (1/25 až 1/30)D,

v ==(0,6 až 0,8) t.

Ojnice se vyrábejí nejcasteji zápustkovým kováním nebo. lisováním z oceli. U velkých, pomalobežných stroju mohou být z uhlíkových ocelí (11423, 11 500,

11 600), u menších, rychlo bežných stroju z ušlechtilých uhlíkových a legovaných ocelí (12040,12050,13240,14150,14240,15142,15260, 16250,16341,16440), vesmes zušlechtených. U leteckých motoru se používá i kovaných slitin hliníku (dural).

Pro }, > 105 se pocítá na vzper podle Elllera:

v rovine kYVllojnice (obr.36c): n2

~

Famax

Fovzx =

. E. J x

kE .1

2 -,

Pevnostní výpocet ojnice v rovine kolmé na rovinu kyvu (obr. 36d): Krátké ojnice (s trubovými písty), napr. u spalovacích motoru, jsou nejvíce namáhány tlakem plynu v hú (obr. 36a) a na tah setrvacnou silou v hú (obr. 36b). Dlouhé ojnice (u križákových stroju) jsou nejvíce namáhány na vzper v hú pri maximálním tlaku na píst (obr. 36c, d) a u jednocinných stroju na tah setrvacnou silou v hú, u dvoucinných pak tlakem média v dú (obr. 36e). Ojnice rychlobežných stroju je nutno též kontrolovat na ohyb od odstredivé síly v poloze, kdy svírají s klikou pravý úhel (obr. 36/). F: Imox

IFimax I

F.

~max

:

'I,max

~

Famax

kde Jx, J y jsou kvadratické momenty prurezu k osám x, y, kT, kE

b)

c)

d)

du e)

bezpecnost (bývá 6 až 60'podle podmínek).

~..

= S . / . Q . r . w2 .

01

a)

-

d) Kontrola dríku ojnice na ohyb od odstredivé síly (obr. 36/): Za zjednodušujícího predpokladu dríku konstantního prÚrezll bude odstredivá síla na klikovém cepu: Fc

ms

4n2 . E . J y Fovzy = . kE ./2 '

bl

~ d

CQ

«>

x

''Ó~;;:'

~,- ':~ ~ ,~~{ 8

.c)

Obr. 37. Prurezy ojnicního

O'558

y

.~ o

dl

I,(")

el

~ x

;

~

.

n

dríku

() Dríky soustružené d) obdélníkový.

Obr. 36. Zatížení ojnice a) tlakem plynu ve válci, b) setrvacnou silou na tah, ci, d) tlakem plynu na vzper, e) tlakem plynu na tah (u dvoucinných stroju), J) odstredivou silou na ohyb

Dríky kované, hlavou)

a frézované:

a) kruhový,

b) mezíkruhový.

c) kruhový

lisované, popr. lité: e) profil J, J) profil H (vhodný

frézovaný,

pro ojnice s rozvidlenou

l. Drík ojnice mívá prurezy podle obr. 37. Štíhlostní pomer A = lo/i,

F/3

kde 10je redukovaná délka ojnice, v rovine kyvu (obr. 36c) 10 =

i =

.I '

I,

v rovine kolmé na rovinu kyvu (obr. 36d) 10 = 1/2, polomer setrvacnosti.

jJ[š -

I

"-

j

I . f2. r . w2 2'

kde S je prurez dríku ojnice (m2), I - délka ojnice (m), r - polomer kliky (m), . w - Úhlová rychlost kliky (S-I), .

b) Pro A = 60 až 105 se ctrík pocítá na vzper podle Tetmajera: Fomax= < F Dvz= S .-aPvz kT .

{) ~ -,._~---_.-

Obr. 38. Namáhúni ojnice odstredivou silou

Približné rozdelení síly podél ojnice je podle trojúhelnika (obr 38). Síla F namáhající ojnici na ohyb a pusobící v težišti trojúhelníka: F=-=FeS. 2

a) Pro A < 60 se provádí výpocet na prostý tlak: 1 Fam.x ad = -S -< aOd==_5 ap! ,

2!JF

2/3 I

h!1~;1()1;]oinice -

~ m - 3\1" (kg.

Ohybový moment v li~ovolném míste ojnice:

kde mp je hmotnost pístu (vcetne cepu a kroužku), ab

Mox

= f.x - FG)2.~ = f(x - ~:).

- zrychlen; pístu v horní úvrati.

Z pevnostní podmínky:

Maximum tohoto výrazu najdeme, položíme-li jeho první derivaci rovnou nule: dMox -~O, dx

CTI.=

3x2

1-

r

Momax

=> Xmax=

F .I

..fi = 0,5771 ,

~ CTDo= 50 až 80 MPa pro uhlíkové oceli a ~

M

80 až 120 MPa pro slitinové oceli. h1

= 20 až 40 MPa (nízké se zretelem na zanedbaný ohyb) => h, .

(

3

2 2 = - 3 (0,577 - 0,577 ) = 0,128F.I = 0,0645.1 .(2.r. (J) ,

M ()o = ~

CTDI

c) Výpocet tlouštky ojnicního oka h2 v celním prurezu II-II na ohyb jako nosník na obou koncích vetknutý; potom F d2 M II = ~ I - d + o. 8 31 '

I

=O

~ 2h. . b ~

=~

CTol/

) (

.d2 3Fs. I - d + -

=

4b. h~

~l/

_ J-]

)

31

.

~ CTDo = 60 až 80 MPa ,

z toho se vypocítá h2.

. .q /lI

II-II

.tF

'"

~

.'0

Fs/211

..

.

b !!...=...!!

~

~Q; ~q) Obr. 39. Ojnícní

oko (zavrená

",..~.,.o .~ ~.., J

~ --

S I1

Obr. 40. výpocet ojnicní hlavy

ojnicní hlava)

Pennovy

1

3. Delená ojní?ní hlava (obr. 40)

2. Ojnicní oko je zavrená ojnicní pístová hlava (obr. 39): a) Šírka oka b se urcí z otlacení od tlaku plynu ve válci: Fimax

P

= TI; ~

U navržené hlavy se kontroluje:

o'

PD

= 30 až 60 MPa

a) Zeslabený prurez I-I prechodu.dríku do hlavy. Setrvacná síla posuvných hmot pístu a približne 3/4 ojnice:

=> b:(:-o.

Fs = (mp + ~mo)' ab,

b) Tlouštka oka h, v prurezu I-I se vypocte z pevnostní podmínky. v tahu od setrvacné síly posuvných hmot v horní úvrati: FS=mp.ab'

~. mf'

'í. w1..

.

kde moje hmotnost ojnice.

(1t-J-)

Zatežující síla jednoho prurezu I-I Fs/2 se rozkládá do složky normálové ---,

,

~

--.

._.

~.-

- ._-

Fo = (Fs/2). sin a, která namáhá prurez na tah, a do složky tecné FI= = (Fs/2) . cos a, která namáhá prurez na smyk a obvykle se zanedbává. Fo F. . 0",=,.- = -.Slna, S/ 25/ FI

Fs

51

251

T =- =s

Krome

kde Fs je selrvacná síla posuvných hmot, Fc

-

odstredivá

mov

-

hmotnost víka ojnicní hlavy.

síla rotujících

hmot,

Šrouby se vypocítají jako predepjaté, zatížené míjivou provozní silou (viz ucebnice Stavba a provoz stroju I).

. cos a (zanedbatelné).

toho vzniká dvojice sil Mol

N -J"

= (Fs/2).a, která namáhá prurez na ohyb:

ohybové napetí ve vnejším vlákne 1: 0"01

Mol = -.

J/

1

el

'~~

~

( +,)

.

ve vnitrním vlákne 2: - --o Mo/

--o

0"02-

1

e2

J/

O"el = 0"1+ 0"01 ~

0"0'

O"e2= 0",- 0"02~

0"0'

':J. " ~ I ~

OnI'. 4/. Ojnicní

b) Célní prurez víka ojnicní hlavy II-II je namáhán na ohyb ja'ko nosník na dvou podperách zatížený spojitým zatížením, které nahradíme dvema osamelými silami Fs/2 (obr.40). Ohybový moment:

M0/1 =

I

d

; ( - 4) "2

'

.

.

11e 1-::; 0"0'

Mo/1 -. 0"02= J/1

11e2-::; 0"0'

kde 0"0= 60 až 80 MPa pro uhlíkové oceli, 0"0 = 80 až 120 MPapro legované oceli.

.

F

=

Fs

+ Fe

= (mp +0,3mo)' ah + (0,7mo- mov).r. (}J2=

= r . (}J2[(mp+ 0,3mo). (1 + A)+ (O,7mo- mov)],

spalovacího

moloru

Príkladvýpoctu.Zkontrolujte namáhání ojnice naftového motoru (obr.42) o vý-

Vnitrní síla na píst: rt.D2 Fim.. = -. :.;~.. ",

rt.(llOmm)2 Pmax=

4

.7 MPa = 66523 N . 4

'Návrh prurezu dríku ojnice (obr. 43): S

4. Ojnicní šrouby bývají 2 až 4 a slouŽÍ k pripojení víka delené ojnicní hlavy. Vyrábejí se jako pružne poddajné, z materiálu o vysoké pevnosti (obr. 41). Jsou ve spoji utaženy se znacným predpetím a jsou dynamicky namáhány setrvacnými silami posuvných a rotujících hmOt:

Obr. 42. Ojnice vznelového

šroub

konu P = 15 kW, s prumerem pístu D = 110 mm, max. tlak ve válci Pmax= 7 MPa, otácky n = 25 s- I, zdvih 2r = 150 mm a délka ojnice I = 300 mm. Materíál ojnice: výkovek z oceli 14150 (O"P\'=700 MPa, O"K= 450 MPa, O"e= 230 Mpa). Celková hmotnost ojnice Ino = 4,5 kg, hmotnost úplného pístu mp = 3,02kg, hmotnost samotného ojnicního víka Inov= 1,47kg.

ohybová napetí v krajních vláknech 1 a 2 prurezu II-I I: Mo/1 -. 0"01= J11

-

(_ ) .

C~lkové napetí v krajních vláknech:

F

~-""'

uj

= (2.6.32 + 6.30)mm2 = 564 mm2 ,

X

J x = u(32 . 423- 26.303)mm4= 139068mm4,

N ...

6.

J y = u(2. 6 . 323 + 30.63) mm4 = 33 308 mm4 . 'Štíhlost ojnice v rovine kyvu: Ax=

I

- = I. J ix

s- = 300mm. Jx

564mm2

J 139068 mm

4

= 19,1< 60,

Obr. 43. Zjednodušený prurez dríku ojnice pro výpocet

10 kolmo na rovinu kyvu:

I ).,y

I

= 2iy ~

s

300mm

JJ y =

2'

Tlouštka cela ojnicního oka:

2

.

564mm2

.

J 33 308 mm4 = 19,5< 60.

h2

=

Budeme kontrolovat na prostý tlak: FY";'''''.'

66523

4b . O"Do

O"Do volíme 75 MPa,

N

O"Dd ==tO"PI= t. 700 MPa = 140 MPa > O"d, vyhovuje. Kontrola na ohyb pouZe od setrvacných sil, protože maximální tlak na píst nepusobí

pres polovinu

= O,064S . J2 . {! . r

f.1 o

w=

2rr:,n

. h2

r 3.6980

=~

Setrvacná

.

w2

,

lx

Moo (Jo =w-

= 2rr:.25s-1 = 157s-l,

139068 mm4

21 mm

= Fim.x _

r I

=- =

síla posuvných

( ~)=

M = Fs. ~ _

,i

hmot pístu a cásti ojnice:

14778 N 90 224

(

_ 78

)

mm = 188420N mm "

3

= 6 622mm , .


= 30 až 60 MPa,

Oj

rt

Obr. 44. Zjednodušený víka pro výpocet

volíme Po = 45 MPa,

66523 N

= mp.r.w2(1 + A), 75 mm 1 = - = 025 300 mm 4 "

prurez ojnicního

Obr. 45. Zjednodušený hlavy pro výpocet

prurez

Návrh prurezu (obr. 44): S

= (63.10

e2

_- 63.10.5 + 40.6.13 mm _- 7,2 mm, 870

Výpocet tlouštky postranice oka: mp.ah

= 6 mm .

= (3,02+ 0,75.4,5) kg. 0,075m. 1572S-2. 1,25= 14778 N,

d .Po - 45 mm .45 MPa = 32,9mm ==36mm.

=

N. (50 - 45 + J45:0)mm

4. 36 mm . 75 MPa

_ 47150 N . mm = 7,12MPa < O"Do,drík vyhovuje. 6622mm3

Šírka ojnicního oka: Po

.

= 45 mm + 5 mm = 50 mm,

= (mp + .tmo).r. w2 . (1 + A) =

Fs

= 7,85. 103kg. m - 3 ,

vv" = -e =

.{

hl

Výpocet a kontrola ojnicního víka:

Mo = 0,064.564.10-6 m2. oy m2. 7,85.103 kg. m-3. 0,075 m. 1572S-2 = = 47,15 N. m = 47 150 N. mm,

FSh

+

zdvihu:

0224

b

1= d

= ~ S = 564mm2 = 118MPa ,

O" d

Q

J JF," (I - d + ~)~

+ 4O.6)mm2 = 870mm2,

e1 = (16 - 7,2) mm = 8,8 mm , Jx' = !(40. 163 + 23.103) mm4 = 62280 mm4 ,

FSh= 3,02 kg. 0,075 m. 1572S-2. 1,25 = 6980 N, lx

= lx'

- S.

0"0. volíme 30 MPa, '.

hl =

~

_

J.v,,1=

6980 N 2b . 0"01- 2. 36 mm . 30 MPa = 3,23mm ==5 mm (z konstrukcních a tech-

nologických duvodu).

J.v,,2=

lx

d =

62280 mm4

-el =

17180mm4

-lx =

17180mm4 7,2 mm

e2

8,8 mm

- 870 mm2 . 7Y mm2 =

= 1952 mm3 , = 2 386 mm 3 ,

17 180 mm4 ,

ojnicni

Mo

-~I =

<101=

188 420N. mm 3

1952mm

Mo 188420N.mm - = 3

<102 ==

~2

.

= 79MPa .

2 386 mm

Protože <10=

11

= 96,5MPa ,

Kontrola ojnicních šroubu. Podle obr. 42 jsou navrženy 2 pružne poddajné šrouby M 12 x 1,5 s lícovaným osazením 0 13n6 v míste spáry. Sevrená délka I = 80 mm,. materiál šroubu BG, pouzdro DA ==1,5d. Setrvacné síly namáhající šrouby:

80až 120MPa, navrženýprurezvíkavyhovuje.

F

=

FI

= 0,075 m. 1572s- 2 [(3,02 + 0,3.4,5) kg. 1,25 + (0,7.4,5 - 1,47)kg] = 11184 N, F 11 184 N = -i = = 5592 N . 2

Návrh zeslabenéhoprurezu v prechodudríku do hlavy (obr.45): 5

= (63.10 + 40.4) mm2 = 790 mm2 ,

e, -

=

e1

63.10.5

+ 40.4.12 790

mm = 6,4 mm ,

Z tabulek a nomogramu v I. díle ucebnice je: síla predpetí Fo

= (14 - 6,4)mm = 7,6 mm,

(pro poddajný

J x' = ~(40. 143 + 23. 103)mm4 = 44253 mm4 , J x = J x' - 5. Wo I =

lx el

W02 =

lx e2

d = (44253 -

O"A

790.6,42)mm4= 11895mm4,

=

11895mm4 7,6 mm

= 1 565 mm ,

=

11895mm4 6,4 mm

= 1 859mm3 .

Fs

Mo

O"

'

z obr. 45 je a = 400, 90 mm

d

( )

= 2 - 2 + e2 =

spoje

= Fo +

X. FI

= (16 + 0,32. 5,59)kN = 17,8kN < Fo = 39,1kN.

Fo

16000N

Sv

88,13 mm2

=- =

=

181 55 MPa , ,

.sina

=~

Mu = k. Fo. d = 0,12.16000 N. 12 mm = 23040 N. mm

78mm

(

- ~

+ 6,4mm

14778N .15,8 mm = 116875N. mm, 2

_ Mo _ 116875N . mm _ ~ I - I 565mm3 - 75 MPa Mo

1 859 mm

3

= 63 MPa

<101

napetí v krutu pri utahování:

O"c2= 0",- 0"02= (6 - 63) MPa = 57 MPa

(-).

Protože 0"0= 80 až 120MPa, prurez vyhovuje.

3

mm 3

= 110 MPa

,

redukované napetí:

)

O"~

+

3!~

= )181,552 + 3. 1102MPa = 263 MPa .

Pro materiál'šroubu 8G: <1K= 640 MPa,

(-) ,

~ (6 + 75)MPa = 81 MPa (+),

23 040 N . mm

= 0,2d3 ~ = 0,2.10,16

O"red=

Fs 14778 N . o . <1, = -25 .cos a = 2 . 790 mm 2 .SIn40 = 6 MPa O"CI= 0", +

.sin40° = 15,8mm,

Mu

116875 N. mm

<102= = ~2

)

Mu < Mo = 97 N. m,

!k

( +,)

0"01- .

šroub, ocelové pouzdro), únavová pevnost šroubového

utahovací moment:

Mo = -.:. a, 2

.

50 MPa.

80mm

-

silový pomer X pro .I/d = 12mm = 6,67 je X = 0,32 .

Pri utahování vzniká napetí v tahu:

F

a

=

= 16kN,

Maximální síla ve šroubu:

3

Kontrola na ohyb a tah:

l

+ Fc = r. w2[(mp + 0,3mo). (1 + A)+ (0,7mo - mov)] =

Fs

.

(+) ,

<1K 640 MPa - = 263 MPa bezpecnost proti trvale deformaci: kK ;= O",ed

= 2,43>

1,5,vyhovuje.

Prt?tože je provozní síla míjivá, je nutno kontrolovat ojnici i na únavu: výchylka napetí:

!J.Fs X. F I

<1.=-=-= 2Sv 2Sv

0,32. 5 592N 2.88,13 mm2

=1015MPa '

,

bezpecnost proti úna v0.vému lomu: aA

s klikovým hrídelem, nebo se k rameni pripevní šrouby ci tangenciálními klíny (obr. 48).

50 MPa

= 4,93 > 1,5až 4 vyhovuje. ke = - = aa 10,15 MPa

Delené klikové hrídelese z výrobních a ekonomických duvodu používají u velkýc~ spalovacích motoru, nebo pri uložení hlavních cepu hrídele ve váleckových ložiskách (obr. 49).

Navržená ojnice pevnostne vyhovuje. 2.5.5

Klikové hrídcle

Jsou to hrídele se zalomením pro vícevá1cové pístové stroje, zejména spalovací motory, zemedelské stroje a kompresory. Vyrábejí se bud jednodílné, nebo složené z nekolika dílu. Konstrukce klikových hrídelu

Obr. 48. Príklad

vývažku

a jeho pripojeni

k hrídeli

Cásti klikového hrídele jsou na obr. 46, ruzná usporádání klik a ložisek jsou na obr. 47.

,

1

,

2

f

2

f

2

I

4 Obr. 46. Kovaný klikový hrídel ctyrválcového vznetového motoru Hrídel je uložen za každým zalomením, tedy v peti ložískách. Zalomení klik po 180° I - hlavní (Iožískové) cepy, 2 - klíkové cepy, 3 - ramena, 4 - príruba pro setrvacník

~~ c) aj

Y1

~

I4L

~

bJ~$

~~=W 2,J d

~ili

Obr. 47. Schéma usporádání

f 6

J,Jt5r5

Obr. 49. Delené klikové hrídele

klik a ložisek'

lI) dvouválcový stroj s klikami po 180° uložený ve dvou ložiskách (napr. pro kompresor nebo motocyklový motor), b) dvouválcový stroj s klikami po 180°, uložený za každým zalomením (napr. vznetový spalovací motor), c) hrídel pro ctyrÝálcový automobilový zážehový motor s klikami po 180°, uložený ve trech ložiskách, d) hridel šestiválcového kliky po 120°, uložení za každým zalomením

vznctového

a) Skládaný

J
klikový cep se rozepne b) skládaný šrou by

na koncích

cepem.l:ep

zatlacenými

klikový hridel ctyrválcového

hrídele je do ramen nalisován,

dutý

trny. které mají vnitrní závit pro vyjmutí;

vznetového

motoru.

Jednotlivé

dilce jsou spojeny

motoru,

MQleriÓI.klikovýchhrídelu U rychlo bežných stroju vyvažujemehmotu.zal<:>mení, klikového cepu a rotující cÚsti ojnice vývažkem, tzv. protizávažím, címž se zmenší ohybová namáhání hrídele a sníží se pocet kmitu hrídele (zvýšením hmotnosti). Vývažek je bud z jednoho kusu

Pro hrídele stacionárních motoru se používají uhlíkové oceli 11500.1, 11600.1, pro více namáhané hrídele ušlechtilé uhlíkové oceli žíhané nebo zušlechtené 12040, 12050, 12060. Pro velmi namáhané a rychlo bežné klikové hrídele, kde se požaduje

'ti"

13

'~, ..

malá hmotnost (automobily, letadla), se používají zušlechtené legované oceli, napr. 14 ISO, 14 240, IS 260, 16 2S0, 16 440, u kterých lze též cepy povrchove kalit, nebo 15230, 15 330, které lze též nitridovat.

Dimenzování klikových hrídelu Provádí se predbežne podle empirických vzorcu (tab. 11) a potom se kontroluje podle pevnostních podmínek v prurezech podle tab. 11.

Klikové hrídele jako tvarované soucásti dynamicky namáhané je nutno kontrolovat na únavovou a tvarovou pevnost. Technologický vývoj slévárenství umožnil použití litých klikov}'ch hrídelu. Vhodným tvarem ramen a úpravou prechodu cepu do ramen lze podstatne zvýšit tvarovou pevnost klikového hrídele (obr. 50). Litina má krome toho mnohem menší vrubovou citlivost než ocel. Polotovar (odlitek) je až o 2/3 lehcí než výkovek, výroba je rychlejší, výrobní cena nižší, obrábení litých klikových hríclell'Ije minimální.Jako materiál se používá šedá litina 42 242S, legovaná, tvárná nebo ockovaná litina, popr. i ocel na odlitky (obr. 51).

Obr. 51. Klikový hrídellitý

,-/=:t

45 MPo

1(;*-:t 85 MPo

zilsad

Mazání klikových hrídeh't

-s.

U pomalobežných stroju se klikový cep klikového hrídele maže mazacím kotoucem na rameni kliky. U rychlo bežných strojl'I se již používá vetšinou tlakové mazání

-a:.

Tab. II. Hlavní rozmery klíkových hrídelu (pro predbcžný návrh)

a) TC.

TC* = :t 120 MPo

podle slévilrenských

b)

c)

7":* -:!: 150 MPa c .

= :t 140 MPo

Tt

= :t 160 MPa

h I

I

b

I

I d)

e)

f)

Empirické

vztahy (D

= prumer

pístu, Pm.. = maximálni

tlak na píst)

I

I

Druh

Klíkový cep

stroje

d,

I

I,

Zážehové

(0,45 až 0,6) D

(0,5

spalovací

(0,5

(0,55 až 0,65) D

motory

Vznctové g)

Ložiskový cep d2 12

spalovací

motory

až 0,6) D

(0,65 až 0,75) D

(0.45

(0.55

až

0,7)

D

v ložisk Tlak u

V)'škaramen I I

až

0,65)

Sírka ram< b

J

, 0.45d,

6 až 10

I

h

p(MPa)

až 0,65) D

(0,6 až 0,7)D

~

I

12 až 15

O,45d,

O

I (1,5až

I

I

i

I

1,6)d,

(1,6 až 1,7)d,

(J) až I;) kované konstrukcní

z uhlíkové

provedení:

klikových

hrídelu

a jejich meze únavy ve stridavém

krul\l

Parní stroje,

kompresory oceli o pevností

O'Pt= 650 MPa, j) odlité z litíny

a) plné cepy, b) duté cepy, c) šírší rameno,

e) širší rameno, f) oviilné rameno, , vybráním, i) litý hrídel

g) rameno

s odlehcovacím

d) vrtání zúženo,

vrubem,

h) rameno

Cerpadla

I '---_..._--

I

;

0.J4D. JI'm"

0,130. JI'm.. (I až 1,2)d,

(I až 1,2)d2

Jr.::

O.l6D . 1,3d,

I

0,170. JPm.. (1.3 až 1.4)d2

i I

,

Ob!..50. Ruznil provedení (pro menší hrídele)

I '

1,25d,

4 až 6

I

(0.5až 0,7)d,

I 2 až

5

i

O,6d, "__h._

1,25dI !

_ ,4

(obr. 52). Olejové cerpadlo, nejcasteji zubové, vhání olej pod tlakem 0,05 až 0,3 MPa na všechna mazaná místa stroje. J

Obr. 52. Tlakové mazání klikov)'ch hrídelu 1 - kruhový kanál v ložiskové pánvi, 2 - kanál v ojnicní pimvi, 3 - zátky

Provozili,

v}:Tobní

a

kontro/llí

~ásady

Pro klidný beh motoru se hrídele dynamicky vyvažují. ~otrebné zmeny hmotnosti protizávaží se dosáhne odv~táním, odbroušením, navarením atd. Výkovek klikového hrídele muže mít povrchové trhlinky nebo jiné vady maximálne do poloviny prídavku na obrábení. Podle dohody bývá s hrídelem dodávána tato dokumentace: hutní atest O mechanických zkouškách, chemické složení a císlo tavby, výsledek elektromagnetické zkoušky na trhlinky, popr. s podrobným po;.isem vad, fotografie metalo grafického výbrusu, dostatecne zvetšená. Pri montáži se mllsí kontrolovat presná souosost ložisek hrídele motoru a hnanéh.o stroje. Dále je treba kontrolovat vctší než 0,02 až 0,04 mm.

rozevírání

nebo svírání ramen, kt 'ré nesmí být

, \-