40. Charakterystyka uniwersalna

Ch-yki te sporządza się w układzie w którym dwiema współrzędnymi są podstawowe wskaźniki pracy silnika.

Trzeci parametr wykorzystuje się tu jako parametr który jest stały dla każdej naniesionej krzywej

41. Schemat i omówienie kinematyki układu tłokowo - korbowego

Przemieszczenie tłoka:

Prędkość tłoka:

Średnia prędkość tłoka:

Przyśpieszenie tłoka otrzymujemy różniczkując prędkość tłoka względem t:

42. Omówić siły działające w układzie tłokowo - korbowym, sposób doboru koła zamachowego, metody wyrównoważania

Konstrukcja silnika obciążona jest:

• siłami gazowymi powstającymi w wyniku procesów termodynamicznych zachodzących w cylindrze silnika
  gdzie:
  ;

Pb - ciśnienie bezwzględne w cylindrze, Po - ciśnienie otoczenia.

Ze względu na małe wartości sił w procesach napełnienia i wyloty siły te w tych fazach można pominąć.

Siłę gazową Pg możemy rozłożyć na siłę działającą wzdłuż osi cylindra - siła normalna N i siłę obieraną wzdłuż osi korbowodu S.

Siła N służy do obliczeń nośnej długości tłoka. Siłę S możemy rozłożyć na siłę styczną T - prostopadłą do osi ramienia korbowodu i siłę promieniową K - skierowaną wzdłuż osi ramienia wykorbienia.

• siłami bezwładności powstającymi na skutek istnienia przyśpieszeń mas poruszających się ruchem postępowo zwrotnymi obrotowym
  gdzie: m - masa danej części

Siły te są zawsze skierowane przeciwnie do przyśpieszenia

• gradientami temperatury wywołującymi naprężenia cieplne związane z odkształceniem cieplnym materiału. Obciążenia te wywołują strumienie ciepła przepływające przez ścianki otaczające komorę spalania. Naprężenie wywołane obciążeniem cieplnym zależą od wartości temperatury, jej gradientów oraz od własności odkształceń cieplnych materiału

43.Sporządzanie wykresu sił stycznych.

Wykres siły stycznej silnika można otrzymać jako wypadkową, przesuwając względem siebie wykresy dla poszczególnych cylindrów o kąt odpowiadający przestawieniu wykorbień, kolejności zapłonów i sumując odpowiednie rzędne.

Wykresy sił stycznych umożliwiają ocenę równomierności racy silnika i są podstawą do obliczenia koła zamachowego, oraz określenia sił wzbudzających drgania skrętne wału korbowego.

44.Stan i obciążenie cieplne silnika

Obciążenia te wywołują strumienie ciepła przepływające przez ścianki otaczające komorę spalania. Naprężenie wywołane obciążeniem cieplnym zależą od wartości temperatury, jej gradientów oraz od własności odkształceń cieplnych materiału. Zjawiska związane z wymianą ciepła w komorze spalania są zmienne w czasie jednego cyklu pracy silnika. Zmienia się ilość wywiązanego ciepła, ciśnienie i temperatura gazów w cylindrze, powierzchnie wymiany ciepła, temperatura ścianek komory. Obliczenia wymiany ciepła przeprowadza się przy założeniu quasi ustalności tego procesu. W tłokowych silnikach rozpatruje się wymianę ciepła dla dwóch stanów układu termodynamicznego:

• przy zamkniętych zaworach - układ zamknięty;

• przy zaworach otwartych - otwarty układ termodynamiczny

Gęstość strumienia ciepła dla stanu ustalonego:

Gdzie: tg - temperatura gazów w cylindrze, tc - temp. czynnika chłodzącego w pewnej odległości od ścianki, k - współczynnik przenikania ciepła który można obliczyć:
gdzie:
-współczynnik przejmowania ciepła od gazów do ścianek, s - grubość ścianki,
- współczynnik przewodzenia ciepła przez ściankę.

45.Budowa i materiały konstrukcyjne kadłuba

Kadłub jest częścią integrującą większość elementów silnika, która powinna odznaczać się odpowiednią sztywnością gwarantującą dużą niezawodność i trwałość silnika. Kadłuby wykonane są z żeliwa lub ze stopów aluminiowo - krzemowych. Kadłuby małych silników samochodowych są odlewane jako jednolite razem z cylindrami z żeliwa stopowego o dużej odporności na ścieranie. Najczęściej wykonuje się kadłuby z wstawianym tulejami cylindrowymi, odlewane z żeliwa perlitycznego. Kadłuby żeliwne oraz spawane poddaje się sztucznemu lub naturalnemu procesowi starzenia. Kadłuby spawane stosowane są w silnikach średnio obrotowych, wymagają usunięcia naprężeń wewnętrznych powstałych podczas spawania. Typowy lekki stop stosowany na kadłuby zawiera 13,5-90% Si, 0,4-0,6%Mn, 0,1-0,5%Mg i reszta Al. Kadłuby aluminiowe mają grubsze ścianki ale mogą być nawet o 50% lżejsze od krzemowych.

Cechy konstrukcyjne kadłubów:

O wymiarach kadłubów decyduję pewne ch-czne proporcje tj. S/D, oraz długość korbowodu, obrys ruchu stopy korbowodu, oraz odległość między cylindrami. W silnikach chłodzonych cieczą stosuje się trzy rodzaje wykonania cylindra: kadłub odlewany razem z cylindrami, kadłub odlany razem z oprawami cylindrów w które wciskane są tuleje cylindrowe, oraz kadłub z wstawianymi mokrymi tulejami cylindrowymi.

Kolejną cech konstrukcyjną jest sposób wykonania bloku cylindra. Może to być odlew jednolity wraz z górną częścią skrzyni korbowej, lub też może być oddzielną częścią przykręconą do skrzyni korbowej.

Następną cechą jest sposób osadzenia opraw łożysk głównych. Stosowane są dwa sposoby:

• w dolnej części skrzyni korbowej i wał korbowy na łożyskach - tzw. górne pokrywy łożysk;

• w górnej części skrzyni korbowej i a pokrywy przykręcane są do kadłuba od strony podziału - tzw. dolne pokrywy łożysk;

Kolejną cechą jest sposób osadzenia śrub mocujących głowicę, który może być:

• wkręcone śruby dwustronne w odpowiednie nadlewy, osobno dla głowicy i osobno dla pokrywy łożysk głównych;

• zastosowanie długich śrub dwustronnych mocujących dolną część skrzyni korbowej z osadzonymi w niej łożyskami. Nakrętki tych śrub opierają się na górnej powierzchni głowicy lub kadłuba;

• rozwiązanie pośrednie ze śrubami mocującymi głowicę wkręconymi w dolną płytę bloku cylindrowego i śrubami pokryw łożysk głównych wkręcanymi do kadłuba.

46.Rodzaje tulei cylindrowych

Podstawowym materiałem na tuleje cylindrowe jest żeliwo o odpowiedniej twardości i odporności na ścieranie.

W śród tulei silników chłodzonych cieczą rozróżnia się tuleje mokre i suche.

Sucha tuleja odznacza się tym, że zewnętrzna powierzchnie jej ścianki przylega do powierzchni otworu w kadłubie silnika lub bloku cylindrów, a więc niestyjka się bezpośrednio z cieczą chłodzącą. Zależnie od sposobu osadzenia tulei dzielimy ja na wciskane, przylgowe, ślizgowe lub wtopione.

Mokra tuleja odznacza się tym, że jej ścianka jest omywana od zewnątrz przez ciecz chłodzącą silnik mokre tuleje o grubości ścianek w zakresie od 5 do 9mm- żeliwne , lub stalowe o grubości od 2 do 6mm., osadza się suwliwe lub przylgowo w gniazdach kadłuba. Osadzenie może być w górnej płycie kadłuba, w dolnej płycie kadłuba lub tuleja podparta na obniżonym kołnierzu.

Niekonwencjonalne tuleje cechuje się specyficznymi szczegółami wykonania, opracowanymi z uwagi na swoiste wymagania konstrukcyjne lub technologiczne.

Tuleje w silnikach chłodzonych powietrzem osadzone są w obrobionych otworach górnej części skrzyni korbowej. Wykonuję się je z żeliwa perlitycznego lub stopowego rzadko za stali.

47.Metoda obliczeń tulei cylindrowych. Śruby mocujące głowicę.

Obliczenie tulei sprowadza się do wyznaczenia grubości ścianki. Grubość ścianki wyznacza się:

• na podstawia wzoru Hubera opartego na hipotezie energii odkształcenia postaciowego w postaci:
  gdzie: p_max - największe ciśnienie spalania;

• lub według wzoru przybliżonego:
  

Dopuszczalne naprężenia
dla tulei żeliwnych wynoszą 40 - 60 MPa. Aby zapewnić regenerację tulei przy jej roztoczeniu na większą średnicę, obliczoną grubość S zwiększa się o 1 do 2mm. Obliczenia tulei przeprowadza się również za względu na obciążenie cieplne.

Śruby mocujące głowicę spełniają dwa zadania. Po pierwsze przejmują siły nacisku gazów działających na głowicę, a po drugie wywierają wystarczające naciski na uszczelkę głowicy w celu uszczelnienia cylindra. Są one wykonane ze stali węglowej o zawartości od 0,35 do 0,45 % węgla, a czasami ze stopów .

48.Sposoby uszczelniania wału korbowego

W celu uszczelnienia wyjścia wału korbowego stosuje się pierścienie uszczelniające. Pierścienie te i tolerancje ich opasania są znormalizowane. Należy przestrzegać dopuszczalnych mimośrodowych wału względem kadłuba. Odmiany pierścieni uszczelniających: pierścienie uszczelniające ze sprężyną, pierścienie filcowe.

Czynniki wpływające na prawidłową współpracę pierścienia z wałem:

a. ze strony wału korbowego:

• prędkość obrotowa i średnica wału;

• prędkość obwodowa wału;

• niewspółosiowość wału;

• gładkość powierzchni współpracy z wargą uszczelniacza;

• ruchy osiowe wału i drgania;

• materiał wału

b. ze strony kadłuba:

• niewspółosiowość otworu;

• tolerancje wykonawcze otworu oprawy uszczelniacza;

c. ze strony oleju smarującego:

• górna i dolna granica temperatury oleju;

• lepkość i zmiana lepkości w funkcji temperatury;

• ciśnienie oleju.

Skuteczność uszczelniacza zależy również od czynników konstrukcyjnych samego pierścienia uszczelniającego, oraz od stanu otoczenia tj. temperatury, zapylenia, wilgotności.

49.Układy cylindrów

W silnikach zarówno o zapłonie ZS jak i ZI najczęściej stosuje się układy:

• układ cylindrów z liczbą cylindrów 2 do 6, rzadziej 8;

• układ widlasty z liczbą cylindrów 2 do 16;

• układ dwurzędowy o poziomym usytuowaniu cylindrów z liczbą cylindrów 14-16 - Boxer;

Rzadziej spotyka się układy:

• układ dwurzędowy pionowy;

• układ trzyrzędowy pionowy W; - układ H; - układ X; - układ gwiazdy.

Silniki rzędowe mogą mieć ustawione cylindry pionowo lub pochylone pod pewnym kątem, bądź też ustawione poziomo. W silnikach typu V cylindry są ustawione pod kątem od 30 do 120 stopni.

50. Sposób obliczania głównych wymiarów silnika

Obliczenia te obejmują obliczanie średnicy cylindra i skoku tłoka. Zakładamy wartość k=S/D i stąd obliczamy S=k*D.

Wielkość Vs można obliczyć:

• na podstawie średniego ciśnienia indykowanego obiegu porównawczego:
  

• 
  na podstawie ilości zassanego czynnika
  gdzie:

g_e - założone jednostkowe zużycie paliwa; L_s - powietrze potrzebne do spalenia dawki paliwa
gdzie:
założony współczynnik napełnienia

51. Konstrukcje, technologie, materiały stosowane do wykonania tłoków

Tłok jest ruchomą częścią komory spalania narażoną na duże ciśnienia i wysokie temperatury. Zapewnia odprowadzanie ciepła. Tłoka stanowi ułożyskowanie sworznia tłokowego i jest elementem prowadzącym łeb korbowodu.

Materiały z których wytwarza się tłoki dzielimy na grupy:

• 
  żeliwa niestopowe i stopowe, mają strukturę perlityczną z wydzielonym grafitem płytkowym o twardości 180 - 2740 HB. Zaletami są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścierania, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej. Wadą jest duża gęstość i mały współczynnik przewodności cieplnej;

• stopy aluminium stosowane na jednolite tłoki silników o dużych prędkościach obrotowych. Zaletami jest mała gęstość, dobry współczynnik przewodzenia ciepła, łatwość odlewania. Wady to znaczny współczynnik rozszerzalności, mniejsza twardość, spadek wytrzymałości;

• staliwa specjalne - Tłoki staliwne mają względnie cienkie denka co przy zastosowaniu ich chłodzenia umożliwia zmniejszenie w nich naprężeń cieplnych na skutek zmniejszenia ich gradientu temperatury. Tłoki wykonywane są jako odlewy kokilowe, a powierzchnie prowadzące podlegają ulepszaniu przez ołowiowanie, gratyfikację.

Konstrukcja tłoków

Denko tłoka kształt denka zależy od typu komory spalania, zwłaszcza w silniku ZS. Denko tłoka narażone jest na wysokie temperatury i duże naprężenia. W tłokach jednolitych o nie chłodzonych denkach ciepło zostaje odprowadzone przez część pierścieniową i pierścienie. Coraz częściej stosuje się denka chłodzone przez rozpryskiwany olej ze specjalnego rozpylacza umieszczonego we łbie korbowodu.

Cześć pierścieniowa służy do zamocowania i prowadzenia pierścieni. Nie dotyka gładzi cylindra, ma mniejszą średnicę niż część nośna. Położenie pierwszego pierścienia powinno być poniżej dolnej powierzchni denka, w części cylindra bezpośrednio omywanej czynnikiem chłodzącym. Liczba pierścieni powinna uniemożliwić przedmuchiwanie spalin ze skrzyni korbowej. Pod pierścieniami umieszcza się nieco wyższy i innym kształcie pierścień zgarniający.

Część nośna tłoka przenosi siłę normalną N na gładź cylindra. Jej konstrukcja powinna zapobiegać zakleszczaniu się i zacieraniu tej części tłoka. W jednolitych tłokach ze stopów aluminium narażonych na pracę w wysokich temperaturach stosuje się przecięcie części nośnej tłoka. Pozwala to na zmniejszenie luzu tłoka na zimno - przy nagrzaniu szczelina kompensuje przyrost obwodu spowodowany rozszerzalnością cieplną.

Piasty sworznia powinny być sztywne i jednocześnie elastyczne, aby odkształcenia sworznia nie wywołały nadmiernych naprężeń w tłoku. Otwór w piaście powinien być obrobiony dokładnie o małej chropowatości około 2-3 mikrometry.

Luz i tolerancje wykonawcze właściwe luzy i tolerancje tłoka ustala się w oparciu o założony rozkład temperatur i znajomość materiału tłoka i cylindra w zależności od średnicy i materiału tłoka, sposobu chłodzenia, typu silnika, obciążenia silnika. Orientacyjne wartości luzów części prowadzącej:

• dla tłoków żeliwnych
  

• dla tłoków ze stopów lekkich
  

gdzie: D_t - średnica części prowadzącej, D - średnica tłoka.

52.Podstawowe elementy tłoka

Elementy te opisałem w punkcie 51.

53. Cel i zakres obliczania tłoków

Celem obliczenia tłoka jest określenie grubości denka, długości prowadzącej tłoka oraz nacisków sworznia w piastach.

Obliczenia grubości denka przeprowadza się przy założeniach:

• denko tłoka jest płytą swobodnie podpartą na obwodzie i równomiernie obciążone na całej powierzchni;

• denko tłoka jest płytą zamocowaną na obwodzie i równomiernie obciążone na całej powierzchni;

Obliczenia długości prowadzącej tłoka - uwzględnia się tu siłę N, która ma maksymalny kąt
odpowiadający
(
odchylenie korbowodu od osi cylindra). Ciśnienie gazów w cylindrach przyjmuje wówczas = 0,75P_max, a więc siła gazowa jest równa
gdzie:

Grubość ścianki części prowadzącej przyjmuje się:

• dla żeliwa
  ;

• - dla stopów lekkich
  ;

Nacisk sworznia w piastach obliczamy ze wzoru
gdzie F_t - powierzchnia denka tłoka; d - średnica sworznia; l₂ - długość części piasty współpracującej ze sworzniem. Dopuszczalny nacisk przyjmuje się 40 --60 MPa.

54. Zadania rodzaje, konstrukcje, materiały pierścieni tłokowych

W tłokowych silnikach spalinowych stosuje się dwa rodzaje pierścieni tłokowych:

• pierścienie uszczelniające zapewniają szczelność komory spalania, odprowadzają również ciepło. Materiał pierścienia musi być dostatecznie sprężysty aby przylegał do gładzi cylindra z założonym naciskiem jednostkowym i dawał się rozchylić przy montażu. Nie może być nadmiernie twardy przy jednocześnie dobrych właściwościach ślizgowych.

• Pierścienie zgarniające - zgarniają nadmiar oleju z gładzi cylindrowej aby zapobiec przed przedostawaniem się oleju do komory spalania.

Materiały i technologia pierścieni : podstawowym materiałem jest żeliwo o drobnoziarnistej strukturze perlitycznej z licznie rozłożonymi płytkami grafitu. Twardość tego żeliwa wynosi od 200 - 240 HB. Można stosować też żeliwo sferoidalne i modyfikowane.

Wytwarzanie pierścieni: odlewa się tuleje i wycina z niej pierścienie, lub odlewa się je indywidualnie. Pierścienie poddaje się obróbce cieplnej

55. Rozwiązania konstrukcyjne pierścieni uszczelniających i zgarniających

Konstrukcja pierścieni:

Pierścienie uszczelniające: najczęściej stosuje się pierścienie o przekroju prostokątnym lub trapezowym.

Obecnie stosuje się też pierścienie ze sprężynami specjalnymi dociskającymi, których zadaniem jest niedopuszczenie do zmniejszenia nacisków pierścienia gdy straci on sprężystość. Luz w zamku pierścieniowym powinien wynosić od 1/200 do 1/250 średnicy pierścienia.

Pierścienie zgarniające

Olej gładzi cylindrowej pierścień odprowadza swoimi szczelinami do otworów w tłoku i dalej do miski olejowej. Średnice otworów odprowadzających powinny zawierać się w granicach od 3 do 5mm. Naciski tych na gładź cylindrową powinny wynosić od 0,2 do 0,5 MPa.

56.Zasady obliczania pierścieni tłokowych

Obliczanie pierścieni polega na określeniu wielkości nacisku na gładź cylindrową i średnicy pierścienia w stanie swobodnym.

Obliczanie nacisku Wartość siły P skupionej w środku ruchu pierścienia na gładź wynosi:
P_o - nacisk jednostkowy; w - wysokość pierścienia; D - średnica cylindra.

Moment gnący w przekroju I - I
; wskaźnik wytrzymałości

Ponieważ M_g=kg*w zatem

Obliczanie średnicy pierścienia

x - wielkość o jaką należy zbliżyć do siebie końce pierścienia aby otrzymać żądaną średnicę D

x' - wielkość uwzględniająca dodatkowo luz na zamku pierścienia

57. Sworzeń tłokowy- konstrukcja, technologia i materiały

Sworzeń służy do przeniesienia nacisku tłoku na korbowód i zamiany jego ruchu na ruch wahadłowy. Pracuje przy wciąż zmieniających się naciskach, w wysokiej temperaturze w przestrzeni ograniczającej dowolność wymiarowania.

Materiały Powierzchnia sworznia powinna być twarda i odporna na ścieranie, zaś rdzeń sworznia winien być sprężysty i ciągliwy. Sworznie wykonuję się ze stali stopowych do nawęglania lub do azotowania. Twardość powierzchni nawęglania i hartowania wynosi 58 do 64 HRC, zaś azotowania około 64 HRC.

Konstrukcje sworznia zwykle wykonany w postaci grubościennej rury o wymiarach:

Najczęściej stosowane sposoby ustalenia swobody ruchu sworznia: - sworzeń pływający; - sworzeń zamocowany we łbie korbowodu; - sworzeń zamocowany w piaście tłoka; - sworzeń schodkowy.

58.Omówić zakres i metodykę obliczeń sworznia

Obliczenia obejmują ustalenie wielkości:

• ugięcie sworznia -
  ;P - największa wartość siły gazowej; I - moment bez.

• owalizacja sworznia -
  - średni promień sworznia.;

• naciski jednostkowe między sworzniem i tuleją korbowodu
  ;

• naprężenia zginające pochodzą od ugięcia oraz owalizacji i wynoszą:

od ugięcia:
; od naprężeń zginających:

• naprężenia ścinające w przekroju między piastą tłoka i łbem korbowodu:

.

59. Konstrukcje, technologie, materiały stosowane do wykonania korbowodów

Korbowód przenosi siły działające na tłok na wał korbowy oraz zamienia posuwisto - zwrotny ruch tłoka na ruch obrotowy wału korbowego. Obciążenie pochodzi od sił gazowych i bezwładności i ma charakter zmienny. Korbowód jest ściskany, wybaczany, rozciągany i zginany.

Materiały: najczęściej korbowody wykonuje się ze stali węglowej do ulepszania cieplnego o zawartości węgla od 0,35 do 0,45%, nieraz ze stali stopowej. Odkuwa się je w foremnikach razem ze stopą.

Konstrukcja korbowodu obejmuje:

• stopę korbowodu, może być podzielona skośnie lub poziomo i zależy od sposobu demontażu korbowodu

• trzon korbowodu, może być wykonany razem z górną częścią stopy lub też może stanowić oddzielną część.

Tolerancje i wymiarowanie . Istotnym elementem konstrukcji korbowodu jest jego długość tj. odległość między osią sworznia a osią panewki korbowodowej. Tolerancja tej długości ma wpływ na wartości stopnia sprężania.

60. Konstrukcja i wymagania i wykonanie śrub korbowodowych

Są bardzo odpowiedzialną częścią silnika, pęknięcie jej w czasie pracy silnika powoduje jego uszkodzenie. Śruby i jej nakrętki wykonuje się ze stali stopowej, rzadziej ze stali węglowej, ulepszanej cieplnie. Nie dopuszcza się na nich, żadnych nacięć, karbów. Wymagane naprężenia wstępne uzyskuje się przez dokręcenie śrub za pomocą klucza dynamometrycznego z określonym momentem, dokręcenie nakrętki po jej przykręceniu o odpowiedni kąt,

---