2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 1

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 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 válcůmokré…..vložky jsou vložené do bloku válců a jejich vnější povrch se stýká s

chladící kapalinou……………… hlava válců je vcelku (standard u rozvodů OHC), suché vložky

…………….. hlavy válců jsou samostatné pro každý válec, suché vložky

……….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

Dl 07,1min

minl

Dl 1,1min

Dl 28,125,1min

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ

BLOK VÁLCŮ, KLIKOVÁ SKŘÍŇ

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) LITINAse 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)

VLOŽKA

BLOK

TĚSNĚNÍ

HLAVA VÁLCŮ

Přesah 0,03-0,06mm

Shodné, lisovanéuložení

Výška nákružku vložkykompromis:deformace-chlazení

Omezení deformací vložky:-hluboko zapuštěné šrouby-nálitky svázané žebrem

Tloušťka stěny 0,06 Ddeformace, kavitace

Příklad s uložením za horní kroužek

Uložení H/g Těsnící kroužky z odlišných materiálů:Odolnost kapalině a oleji

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 3

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 4

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 5

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 HBSi (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 6

DEFORMACE válcové plochy je odlišná ve volném stavu (vložená do válce) a v předepnutém stavu (po utažení hlavy válců hlavovými šrouby)

MIKROGEOMETRIE kluzné plochy (opracování křížovým honováním ): Ra= 0,5-2,0 m

Rt = 6-15 mse změní po záběhu nebo speccielní technologii Planteau-Honung (plošinkové honování) – srážení břitů brusným kamenem Ra=0,4-1,0 m

VOLNÝ PŘEDEPNUTÝ

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 7

KLIKOVÁ SKŘÍŇ ZE SLITIN HLINÍKU v provedeních:

MONOLITICKÉM nadeutektoidní slitina Al-Si (ALUSIL) – Al Si17 Cu4 Mgvyžaduje 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.

HETEROGENNÍMa) 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 8

SUCHÁ VLOŽKA ZALISOVANÁ - PŘÍKLAD

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 9

SUCHÁ VLOŽKA ZALITÁ - PŘÍKLAD

Porovnání vlastností hliníkových )Al) a litinových (GG) bloků válců (skříní):

Kriterium Al/GG

Hmotnost 0,37Tepelná vodivost 2-3Pevnost v tahu 0,6-0,9Pevnost v tlaku 0,33Pevnost v ohybu 0,4-0,7Tuhost 0,7Tepelná roztažnost 2

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 10

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

Ložiskové víko integrální, velmi tuhé, spodní víko jednoduchou těsnící plochou pod hřídelovým těsněním KH.Problematické těsnění ložiskového víka (kov na kov)

2011/2012 Pístové spalovací motory - SCHOLZ 11

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

12____________________________________________________________________________________________ 2011- Liberec prof. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D.

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.

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 zexperimentů a výpočtů prováděných již v 80 letech u M3-Liaz).

13

Cílem konstrukční optimalizace bylo dosáhnout stavu, kdy se vývrty pro ložiska a osa přepážky deformují co nejméně. Ovalizace vývrtu se koriguje “citronovými“ ložiskovými pánvemi.

14

Skříň

Boční šroub ložiskového víka

Vložka válce

Těsnění

Šroub ložiskového víka

Ložiskové víko

Víko ložiska vačkového hřídele

Aplikace na výpočtu modelu stacionárního motoru vrtání 150 mm – BEZ a.s.

DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ

0

200

400

600

800

1000

1200

-0,1-0,075-0,05-0,02500,025

Y [

mm

]

X [mm]

statika max F max Fx

Deformace přepážky se korigují úpravou konstrukce.

Vliv konstrukčních úprav na deformaci přepážky při max spalovací tlaku ve válci

15

0

200

400

600

800

1000

1200

-0,1-0,075-0,05-0,0253,5E-160,025

Y [

mm

]

X [mm]

původní

úprava 3

úprava 4

DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚNesymetrie konstrukce v příčném směru vede k velké deformaci přepážky od dynamických sil spalovacího tlaku

16

0

200

400

600

800

1000

1200

-0,1-0,075-0,05-0,02500,025

Y [

mm

]

X [mm]

původní

úprava 3

úprava 4

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

DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ

17Původní konstrukce Upravená konstrukce

DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ

18

DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ

Z

X

Y