Vývoj motoru - výpočty

Vývoj motoru - výpo ty
Pavel Hlavá ek
Škoda Auto, TPC (Technické centrum - agregáty)
13.11.2009
Radek Petera
Tento materiál vznikl jako sou ást projektu In-TECH 2,
který je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpo tem R.
Vývoj motoru - výpo ty
ehled výpo
používaných ve Škoda Auto p i vývoji motoru
- vým na nápln válce, termodynamické výpo ty prac. cyklu
- rozvodový mechanismus
- klikový mechanismus
- blok motoru
- hlava válc
- výfukové potrubí
2
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
1D - proud ní
1D – výpo etní model (GT-Power)
Výsledek – doporu ení navrhované konfigurace motoru k ov ení
Pr tok vzduchu
Moment
Spot eba
Optimalizace
Ove ení nalad ní modelu s m ením
Pr tok vzduchu
3
Moment
Spot eba
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
- zdvih ventilu
- doba otev ení ventilu
asování
- geometrie sacího a výfukového
traktu
- komprese
- vyosení klikového mechanismu
-…
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
rozvodový mechanismus - kinematická analýza
Te ná síla p sobící na ventil
6
4
Te ná síla
2
0
500
550
600
650
700
750
800
850
900
Úhel VH
-2
-4
-6
Síla p sobící na HVA
130, 00
500, 00
Síla na HVA
Úhel síly na HVA
120, 00
400, 00
110, 00
Síla na HVA
100, 00
90, 00
200, 00
80, 00
100, 00
70, 00
0, 00
500
550
600
650
700
750
800
850
900
60, 00
Úhel VH
50, 00
- 100, 00
4
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Úhel síly na HVA
300, 00
Vývoj motoru - výpo ty
rozvodový mechanismus – návrh profilu va ky
5
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
rozvodový mechanismus – dynamická analýza
MKS-nelineární vent. pružina
MKS - ADAMS
CAD + CDS
500
Intake valve
f 2 = 629Hz
(Me asurement 630Hz)
450
80
15
Lift
Velocity
Acceleration
400
F 2stat = 348N
Force (N)
300
F o rce (N )
60
10
Lift (mm), velocity (mm/rad)
350
250
M e a s u r em e n t
M odel
200
150
f 1 = 536H z
(Measurement 52 3Hz)
F 1stat = 170N
40
5
20
0
0
0
20
40
60
80
100
120
-20
-5
Acceleration (mm/rad2)
FEM - ANSYS
-40
100
-10
-60
50
-80
-15
0
Angle (deg)
15
20
25
30
35
40
Spring
(mm)
S p r in
g le n length
g th (m m
)
Modální tvary
ení
2
1
Výsledky
…
Valve lift
Lift (mm)
Contact pressure
950
Pressure (N/mm2)
900
Ov ení nalad ní modelu
Intake
850
Exhaust
800
750
700
650
Valve acceleration 6000 min-1
600
2
4
0
1000
2000
Acceleration
Measurement
Calculation
1
8
1
2
3000
4000
5000
6000
Speed (rpm)
Ventilhub
Speed (rpm)
Angle (deg)
Spring force
Force (N)
6
Contact force cam - roll
0
1600
-
1400
6
0
1
8
0
Intake
0
8 0
Angle of camshaft
Exhaust
1200
Measurement
1000
0
6 0
Force (N)
FFT Vergleich
Amplitude
Calculation
0
4 0
800
600
400
0
2 0
200
0
100
0
0
Angle (deg)
120
140
160
180
200
220
240
260
4 0
Harmonic order
-200
Angle (deg)
6
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Speed (rpm)
Vývoj motoru - výpo ty
rozvodový mechanismus – dynamická analýza
Zrychlení ventilu p i 6000 min-1
24
ení
Výpo et
Zrychlení ventilu
18
12
6
0
0
1 80
-6
Pooto ení VH
800
Fourier v rozklad zrychlení ventilu
Amplituda
ení
Výpo et
0
0
40
ád harmonické
7
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
klikový mechanismus – kliková h ídel
Modální
sou adnice
EHD
H3
p
D
B
2
Z
H3
p
Z
H
6
2
B
FEMFAT
q1(t)
Reynold´s equation:
Modální tvary
2
tvar 1
H
t
q2(t)
MBS - ADAMS
…
2
n
q1(t)
1
…
1
tvar 2
qn(t)
i
i
q
…
u
FEM - ANSYS
q2(t)
2
M
i
1
Modální nap tí
tvar n
1
…
2
Výsledky dynamické analýzy
Polar diagram at critical speed
0.55
20000
0.50
15000
10000
0.45
5000
0
-5000
0
Main bearing 1
-10000
-1 0000
Main bearing 2
-15000
-20000
-25000
-2 0000
0
100 00
horizontal force (N )
20000
0.30
0.25
0.20
0.15
Main bearing 4
0.10
90
180
270
360
30000
angle (deg)
8
0.35
0.05
0
-1000 0
0.40
Main bearing 3
-30000
-20000
Safety factor of crankshaft EA111
safety factor
25000
force (N)
1 0000
30000
0.60
crank angle (deg)
vertical force (N )
2 0000
-3 0000
-30 000
Koeficient bezpe nosti
Speed oscillation
Main bearing reaction
3 0000
450
540
630
720
0.00
1000
1500
qn(t)
n
n
2000
2500
3000
3500
speed (rpm)
4000
4500
5000
5500
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
4
3.75
3.5
3.25
3
2.75
2.5
2.25
2
1.75
1.5
1.25
1
1000
1500
2000
13.11.2009
2500
3000
3500
4000
speed (rpm)
4500
5000
5500
6000
Vývoj motoru - výpo ty
klikový mechanismus – kluzná ložiska
Únosnost ložiska
celkový tlak
Ztráty t ením
tlak p i polosuchém t ení
P
r3
2
2
Síla p enášená ojnicí
Ztrátový výkon
Ohybové nap tí na pánvi ce
9
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
b
h
Vývoj motoru - výpo ty
klikový mechanismus – ojnice
Rozložení nap tí
s p esahem
Ojnice
Druck
Zug
Zatížení tahem
Pouzdro
Montage
Montáž
Pístní ep
Zatížení tlakem
Píst
Klik. h ídel
Lož. pánve
s p esahem
Šroub
s p edp tím
Rozložení faktor
bezpe nosti
10
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
Výpo et faktoru bezpe nosti
Critical cutting plane method
Hypotéza ekvivalentního nap tí
Bunch of cutting planes
for bi-axial stress
Normal
Character.
shear
2D/3D
Character.
equival. etc.
asový pr
Kritický bod
zatížení
Modifikovaný
Haighdiagram pro
jednotlivé uzly
h ekvivalentího nap tí
Body zatížení
Haighdiagram pro
vzorek
11
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
blok motoru + hlava válc
FEM – Stanovení rozložení teploty
Výpo et proud ní va vodním plášti
Koeficienty p estupu tepla
FEM-Model
Montáž
12
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
Montáž + Teplota
Montáž + Teplota
+ Spalování
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
hlava válc – rozložení teploty na sedle a ventilu
správn nalisované sedlo
Teplota na povrchu ventilu
špatn nalisované sedlo
Sedlo
Spalovací prostor
Výfukový kanál
Vodítko
Olej
Teplota na sedle
špatn nalisované sedlo
správn nalisované sedlo
0°
360°
Obvod sedla
13
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
blok motoru – deformace vložky válc
Celk. def.
1. ád
14
2. ád
3. ád
4. ád
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
5. ád
6. ád
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
blok motoru – uložení klikové h ídele
FEMFAT TransMAX
Zatížení
Výpo et zatížení
Reak ní síly v ložisku
EHD
Výpo et faktoru
bezpe nosti
Reynold´s equation:
H3
p
D
B
2
Z
H3
p
Z
6
H
2
B
2
H
t
Zatížení 2
1000
6000
MKS - ADAMS
2000
3000
Zatížení 2.
speed
3rd maon bearing reaction
30000
4000
odlitek
(rpm)
Zatížení 4
25000
opracování
20000
kontatní plocha
Zatížení 3.
15000
10000
…
vertical force (N)
5000
• víceosé nap tí
• definice materiálu
• popis povrchu
5000
0
x
p _max
-5000
Zatížení1.
-10000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
horizontal force (N)
15000
y
Zatížení n
FEM – stanovení nap tí
Rozložení nap tí pro všechna zatížení
+
15
Nr.
zatížení
1
montáž
2
Zat. 1.
3
Zat. 2.
4
Zat. 3.
....
....
n
Zat. n-1
Faktor bezpe nosti
=>
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
výfukové potrubí
ení FUJI-Folie
tlak
2 0 0
1 5 0
1 0 0
Výpo et
0
5
0
0 ,
0
0 ,
0
2
0 4
, 0
,0 6 0
0 ,
8 0
1 ,
0
posuv
Rozložení teploty
Nap tí
16
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
Plastické deformace
13.11.2009
Vývoj motoru - výpo ty
kuji za pozornost
17
INVESTICE DO ROZVOJE VZD LÁVÁNÍ
13.11.2009