BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ

BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ
BLOK VÁLCŮ – tvoří kluznou plochu pístů (přímo nebo prostřednictvím vložek válců), zabezpečuje chlazení
válcové jednotky
KLIKOVÁ SKŘÍŇ – zabezpečuje uložení KH, rozvodových kol, vačkového hřídele (u OHV), příslušenství (uvnitř
olejového čerpadla, zvenčí pomocných agregátů, uložení apod.), předního a zadního víka, olejové
vany, hlav válců.
Současným standardem je společný odlitek bloku válců s klikovou skříní. Výjimkou je oddělený blok válců u
vzduchem chlazených motorů.
Určujícím parametrem z hledisek hmotnosti, rozměrů a namáhání je rozteč válců.
• Řadové motory – minimální rozteč válců lmin je určena dimenzováním můstku mezi vývrty válců (těsnost,
tuhost). Závisí na volbě a provedení hlav a vložek válců, na průměru válce D:
Provedení vložek válců: suché…….tenké vložky jsou po celé délce zalisované, nebo zalité v bloku válců
mokré…..vložky jsou vložené do bloku válců a jejich vnější povrch se stýká s
chladící kapalinou
lmin  1,07  D ……………… hlava válců je vcelku (standard u rozvodů OHC), suché vložky
lmin  1,1 D …………….. hlavy válců jsou samostatné pro každý válec, suché vložky
lmin  1,25  1,28  D ……….pro mokré vložky (v současnosti od D>110 mm)
• Vidlicové motory – ojnice jsou obvykle na klikovém čepu KH uloženy vedle sebe, pak pro minimální rozteč je
určující dimenzování KH a ložisek
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
1
BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ
HLAVA VÁLCŮ
Blok válců obvykle spolu s klikovou skříní odléváme ze
šedé litiny, nebo u menších motorů ze
slitin hliníku. Konstrukce a technologie
musí zabezpečit , vedle požadavků
pevnosti a tuhosti, i tribologické vlastnosti
kluzné plochy pro vedení pístů.
ŠEDÁ (NEBO VERMIKULÁRNÍ) LITINA
se používá v provedeních:
a) MONOLITICKÉ – jednoduchá konstrukce se používá
obvykle jen s tepelným zpracováním povrchu válců
proti
opotřebení
b) HETEROGENNÍ – suché vložky tenkostěnné z oceli
(tl.2-3mm), dnes ojediněle u starších konstrukcí
- mokré vložky (vložené, výměnné) u
větších motorů s vrtáním větším než 110 mm,
samostatný vložený válec umožní volit legovanou
litinu a specielní technologii pro zlepšení
tribologických vlastností. Konstrukční řešení je však
náročné na tolerance styčných ploch s blokem válců
pro zabezpečení těsnosti chladící kapaliny a
deformací vývrtu válce.
Dva druhy uložení válce za: - horní nákružek (visící)
2011/2012
TĚSNĚNÍ
Přesah
0,03-0,06mm
VLOŽKA
Shodné, lisované
uložení
BLOK
Výška nákružku vložky
kompromis:
deformace-chlazení
Omezení deformací vložky:
-hluboko zapuštěné šrouby
-nálitky svázané žebrem
Tloušťka stěny 0,06 D
deformace, kavitace
Uložení H/g
Těsnící kroužky z
odlišných materiálů:
Odolnost kapalině a
oleji
Příklad s uložením za horní kroužek
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
DRUHY ULOŽENÍ MOKRÉ VLOŽKY
za horní nákružek
za dolní nákružek
Uložení za dolní nákružek (stojící).
Výhodou je lepší chlazení nejteplejší horní partie vložky,
jednodušší odlitek bloku válců,
Nevýhodou je deformace způsobená velkou
sevřenou výškou (bylo upuštěno od této konstrukce).
Dříve používáno u motorů Saurer, Fiat, Škoda.
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
3
ULOŽENÍ MOKRÉ VLOŽKY ZA HORNÍ NÁKRUŽEK - PŘÍKLAD
2-5mm
Délka vložky 2-5mm od spodního obrysu PČ (píst je v D.Ú.)
Chladící prostor válce končí u polohy pístních kroužků pístu v D.Ú.
Dnes obvykle zkrácen k poloze 1. PK.
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
4
MOKRÁ VLOŽKA S HORNÍM NÁKRUŽKEM – PŘÍKLAD
Výhodou je jednodušší odlitek bloku válců a naprosto jednoduchý odlitek, rotačně symetrický, vložky válce
s legovaného materiálu (odlišný od bloku válců).
Legovaná litina, odstředivě litá: P (do 0,8%) snižuje opotřebení
Cr (1-3%) tvrdost 300 HB
Si (5%) tvrdost 400HB ( normální šedá litina 170-200HB)
Kluzná plocha vložky se křížově honuje pod úhlem 60-90°
Pro usnadnění záběhu se povrch kluzné plochy upravuje fosfátováním
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
5
DEFORMACE válcové plochy je odlišná ve volném
stavu (vložená do válce) a v předepnutém stavu (po
utažení hlavy válců hlavovými šrouby)
VOLNÝ
PŘEDEPNUTÝ
MIKROGEOMETRIE kluzné plochy (opracování
křížovým honováním ):
Ra= 0,5-2,0 m
Rt = 6-15 m
se změní po záběhu nebo speccielní technologii
Planteau-Honung (plošinkové honování) – srážení
břitů brusným kamenem Ra=0,4-1,0 m
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
6
KLIKOVÁ SKŘÍŇ ZE SLITIN HLINÍKU v provedeních:
MONOLITICKÉM
nadeutektoidní slitina Al-Si (ALUSIL) – Al Si17 Cu4 Mg
vyžaduje lití do kokil pod nízkým tlakem, licí cyklus je relativně dlouhý a
omezuje sériovost. Vynikající tribologické vlastnosti a vyšší cena předurčuje
použití u motorů vyráběných ve středních sériích V8, V12 (BMV, Mercedes,
Porsche)
KVAZIMONOLITICKÉM
a) Kluzné povlaky nanášené elektrolyticky (Ni-SiC), nebo plazmově, nenalezly použití v sériové
výrobě.
b) Lokální utváření povrchu v konceptu LOKASIL - na kluzném povrchu vznikne materiál s vysokou
koncentrací Si. Technologie je založená na vkládání pórovitých vložek z Si do licí formy , které jsou
během lití (pod vysokým tlakem) infiltrovány do povrchu válců (do základního Al materiálu)
bloku. Vzhledem k produktivní technologii, kterou je vysokotlaké lití, jedná se perspektivní
koncept z hlediska sériovosti a ceny.
HETEROGENNÍM
a) Mokré vložky (historie u Škoda, dnes se nepoužívá)
b) Suché vložky -zalisované nebo zalité (materiál: legovaná litina, ocel, nadeutektoidní Al
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
7
SUCHÁ VLOŽKA ZALISOVANÁ - PŘÍKLAD
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
8
SUCHÁ VLOŽKA ZALITÁ - PŘÍKLAD
Porovnání vlastností hliníkových )Al) a
litinových (GG) bloků válců (skříní):
2011/2012
Kriterium
Al/GG
Hmotnost
Tepelná vodivost
Pevnost v tahu
Pevnost v tlaku
Pevnost v ohybu
Tuhost
Tepelná roztažnost
0,37
2-3
0,6-0,9
0,33
0,4-0,7
0,7
2
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
9
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH
1. V OSE KLIKOVÉHO HŘÍDELE
u menších řadových motorů , spodní
víko vytažené do dělící roviny, víka
ložisek KH jednotlivá.
Problematické těsnění předního a
zadního konce KH
2011/2012
Ložiskové víko integrální, velmi tuhé,
spodní víko jednoduchou těsnící plochou
pod hřídelovým těsněním KH.
Problematické těsnění ložiskového víka
(kov na kov)
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
10
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH
2. POD OSOU KLIKOVÉHO HŘÍDELE
klasické provedení s jednotlivými víky
ložisek KH. Vzdálenost dělící roviny od
osy KH co nejmenší (podle velikosti
hřídelových těsnění) z důvodů kmitání
volné části skříně- přenos vibrací do
spodního víka – hluk.
U vidlicových, nebo i řadových motorů
boční šrouby k vyztužení vík
Zvláštním případem je tunelové provedení
bez ložiskových vík. Dnes TATRA s valivým
uložením KH
2011/2012
Pístové spalovací motory - SCHOLZ
11
3. NETYPICKÁ PROVEDENÍ
Porsche s uložením KH v tuhých
integrálním děleném víku a
připojených blocích válců
LIAZ – M3:konstrukční řešení
spočívající v náhradě vnějších stěn
motorové skříně (spolu se spodním
víkem) laminátovým zvukově
izolačním plechem,
Pokles tuhosti bloku válců byl
kompenzován vnitřní úpravou odlitku
a spojováním vík ložisek klikového
hřídele v integrovaný celek.
Otevřenou spodní část klikové skříně
z bočních stran zakrývaly panely, na
jejichž příruby bylo připevněno
spodní víko.
____________________________________________________________________________________________
2011- Liberec
prof. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D.
12
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Primárně vzniká deformace od silového působení spojovacích šroubů hlavy válce, vík ložisek a spalovacího tlaku.
Obvykle postačí MPK řešit idealizovaný model, vytvořený výřezem v okolí přepážky skříně (poznatek z
experimentů a výpočtů prováděných již v 80 letech u M3-Liaz).
13
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Aplikace na výpočtu modelu
stacionárního motoru vrtání
150 mm – BEZ a.s.
Těsnění
Vložka
válce
Boční šroub
ložiskového
víka
Víko ložiska
vačkového
hřídele
Skříň
Cílem konstrukční optimalizace
bylo dosáhnout stavu, kdy se
vývrty pro ložiska a osa přepážky
deformují co nejméně.
Ovalizace vývrtu se koriguje
“citronovými“ ložiskovými
pánvemi.
Šroub ložiskového Ložiskové víko
víka
14
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Nesymetrie konstrukce v příčném směru vede k velké
deformaci přepážky od dynamických sil spalovacího tlaku
1000
800
Y [mm]
1200
600
400
1200
400
200
0,025
Y [mm]
600
max F
max Fx
0
1000
800
statika
200
0
-0,025 -0,05
X [mm]
-0,075
-0,1
Deformace přepážky se korigují úpravou konstrukce.
původní
Vliv konstrukčních úprav na
deformaci přepážky při max
spalovací tlaku ve válci
úprava 3
úprava 4
0
0,025 3,5E-16 -0,025 -0,05 -0,075
X [mm]
-0,1
15
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Dynamické vybočování přepážky v příčném řezu je
známé jako “banánový efekt“ a ovlivňuje hlukové
chování skříně.
Možné konstrukční úpravy:
• žebra, osová symetrie
• odstranění kmitajících stěn, kapotáž
1200
800
600
Y [mm]
1000
400
200
původní
úprava 3
úprava 4
0
0,025
0 -0,025 -0,05 -0,075 -0,1
X [mm]
16
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Původní konstrukce
Upravená konstrukce
17
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ
Z
Y
X
18