نیروها و ارتعاشات میل لنگ
افزایش راندمان، کاهش حجم، کاهش آلاینده های محیطی از عواملی هستند که طراحان موتورهای احتراق داخلی را بر آن میدارد تا اثرات اجزای موتور بر عملکرد آن را بطور دقیق مورد بررسی و بازبینی قرار دهند. در این بین میل لنگ موتور بیشترین تاثیر را بر تولید نیرو گذاشته و مهمترین جزء موتور تلقی می شود. سامانه میل لنگ بطور کلی شامل پیستون، گژنپین ، شاتون، میل لنگ، میراگر ارتعاشات پیچشی و فلایویل می شود.
میل لنگ یکی از قطعات مهم موتور در موتورهای پیستونی(احتراق داخلی ) است و از مجموعه های مهم در موتورهای پیستونی ، سازوکار لنگ متحرک است که تحت نیرو و تنش های مختلف است. نیروهای وارد به میل لنگ شامل نیروهای اینرسی جرم های دوار )ناشی از دوران یاتاقان متحرک(،نیروهای اینرسی جرم های رفت و برگشتی )ناشی از حرکت پیستون و گژنپین و سربالایی شاتون و یاتاقان گژنپین (، نیروهای احتراقی )ناشی از احتراق و انبساط درون سیلندر( است که موجب تنش های خمشی و پیچشی و ترکیب و همزمانی تنش های خمشی و پیچشی روی میل لنگ می شود
در اثر پدیده احتراق و بوجود آمدن نیروهای فشاری حاصل از انبساط گاز ، فشار گاز درون سیلندر وارد بر سطح پیستون شده و به صورت نیرو از طریق شاتون به لنگ متحرک و میل لنگ وارد می شود که در نتیجه آن حرکت رفت و برگشتی پیستون از طریق شاتون و قطعات واسطه، به حرکت دورانی میل لنگ تبدیل می گردد درنتیجه همانطور که بیان شد موجب تولید نیروهای اینرسی و گشتاورهای پیچشی می شود که باعث ایجاد لرزش ،سروصدا (نویز) و رزونانس موتور می شود و نهایتا سبب خستگی و ایجاد ترک های ریز و کاهش عمر میل لنگ می شود.
هر یک از اجزاء یادشده با توجه به نوع کاربرد آن ها در موتورهای بنزینی و یا دیزلی، دارای متغیرهایی هستند با دانستن این متغیرها و چگونگی شرایط عملکرد موتور، موجب ایجاد طراحی دینامیکی، تحلیل تنش و نهایتاً انتخاب جنس برای قطعات می شود.
همچنین در طول فرایند سیکل حرکتی موتورهای احتراق داخلی میل لنگ تحت تاثیر نیروها و ضربه های وارده از شاتون در گستره سرعتهای زاویه ای وسیعی دوران میکند. و این سرعت و شتاب زاویه ای میل لنگ تغییرنیز میکند و نیروهایی بر قسمت های مختلف میل لنگ و مکانیزم لنگ وارد می شوند به دلیل وجود چنین نیروهایی، میل لنگ بسیار مستعد ارتعاش است که میتواند مضر باشد لذا باید استحکام کافی در برابر نیروهای احتراق، فشاری، کششی و همچنین خستگی داشته باشد. بنابراین بررسی رفتار حرکتی آن امری ضروری است.
بررسی ها درباره تعیین وضعیت دینامیکی سازوکار لنگ به صورتی است که در آن ها سرعت زاویه ای میل لنگ ثابت است و همچنین از اثر فشارهای گاز درون سیلندر و عوامل بوجود آورنده اصطکاک درونی صرف نظر شده است.
مجموعه میل لنگ،شاتون، پیستون و محور پیستون از جمله قطعاتی که دائماً تحت تاثیر نیروهای معکوس شونده و شرایط نامتجانس حرارتی قرار دارند. این قطعات همواره تحت سایش و خوردگی اند و دچار خستگی طبیعی می شوند،
پژوهش هایی که در این زمینه انجام گرفته است به طور کلی در سه مورد تحلیل دینامیکی نیروهای وارد شده، تحلیل تنش و خستگی و بررسی مکانیک شکست با مطالعه ویژگی های مواد است، که در برخی موارد به صورت ترکیبی هم بوده است.
نکته مهم دیگر در تحلیل دینامیکی موتور، شبیه سازی شرایط گذرای موتور به منظور تعیین سرعت و شتاب زاویه ای لحظه ای
میل لنگ است. اغلب کارهای انجام شده در حالت پایدار موتور، به منظور بهینه نمودن متغیرهای طراحی موتور و با هدف مصرف سوخت حداقل و توان حداکثر بوده است.
تحقیقات اولیه ای شبیه سازی دینامیکی موتور به دو گروه اصلی تقسیم بندی می گردند:
الف( پایدار غیرخطی : شبیه سازی های پایدار غیرخطی به منظور شبیه سازی موتورهای اشتعال جرقه ای و برای به دست آوردن گشتاور و فشار درون سیلندر است
ب( حالت گذرای غیرخطی : شبیه سازی های گذرای غیر خطی با در نظر گرفتن ترکیب حالت های ترمودینامیکی و دینامیکی برای موتوری تک سیلندر و چند سیلندر انجام شده است
وزنه تعادل
یکی از چالشهای مهم در صنعت خودرو و وسایل نقلیه سبک و سنگین، ارتعاش و لرزش در موتور می باشد . نیاز روز افزون به افزایش صحت و کارکرد موتور و فشردگی رقابت در بازارهای جهانی، اهمیت مسئله کاهش ارتعاشات موتور و متعادل نمودن آن را تا حد قابل توجهی افزایش داده است. بدین جهت، بررسی وضیعت ارتعاشی موتور و حذف نیروها و گشتاورهای نامتعادلی در موتور کاملا ضروری به نظر میرسند. متعادل کردن موتور به وسیله وزنه های تعادلی و میله های متعادل کننده، مستلزم بررسی تعادل موتور به وسیله روشهای پیچیده ریاضی مانند روشهای جدولی و بردارهای گردان است تا نیروها و گشتاورهای نامتعادلی موتور مشخص شوند و در صورت نامتعادل بودن نیروها و گشتاورها، جهت تعادل موتور از وزنه های متعادل کننده و یا میله های متعادل کننده استفاده نمود
بررسیهای تجربی نشان میدهد عمده آسیبهای میل لنگ ناشی از تنشهای بوجود آمده از نوسانات پیچشی است. وزنه های تعادل نیز از اجزای سامانه ی میل لنگ اند که بمنظور جبران نیروهای اینرسی در مقابل هر لنگ قرار داده می شوند. وزنه های تعادل ممان اینرسی میل لنگ را افزایش می دهد، همچنین جرم و نحوه ی قرارگیری و بطور کلی چیدمان وزنه های تعادل روی شفت اصلی، بطور مستقیم بر ارتعاشات پیچشی میل لنگ اثرگذار است.
در هر موتوری رفتار NVH (نویز،لرزش، ارتعاش) کل سامانه موتور به طور عمده متاثر از طراحی میل لنگ است بر اساس تحقیقات صورت گرفته، منبع تولید صدا در موتور عمدتاً ناشی از ارتعاشات پیچشی میل لنگ است از میان تمام شکلهای ارتعاشی که میل لنگ در معرض آنها قرار میگیرد، شکل پیچشی مخربترین شکل است . یافتن روشی ساده و مطمئن برای بررسی ارتعاشات پیچشی میل لنگ همواره مورد توجه محققان بوده است بررسی رفتار دینامیکی و مدل ارتعاشات پیچشی سامانه میل لنگ اهمیت بسزایی دارد. وزنه های تعادل جزیی از میل لنگ هستند که برای متعادل کردن و خنثی کردن نیروهای اینرسی به شقت اصلی متصل می شونداز این رو طراحی و شکل توزیع آنها روی شفت اصلی بسیار مهم است یافتن تاثیر چیدمان های مختلف وزنه های تعادل بر ارتعاشات پیچشی میل لنگ هدف تحقیقات بوده است. توجه داشته باشید که اگر یک میل لنگ را از وسط نصف کنیم وزن هر دو طرف برابر است.
نرم افزارها
بررسی ارتعاشات پیچشی و اصلاح فرکانس های مخرب میل لنگ به علت پیچدگی سازه میل لنگ دشوار است بنابراین برای تعیین فرکانس های طبیعی پیچشی معمولا از نرم افزارهای تحلیل عددی استفاده می شود
ارتعاشات پیچشی میل لنگ را می توان به سه روش عددی تجربی و تئوری تعیین کرد و با مقایسه و بررسی نتایج سه روش بهترین مدل جهت طراحی میل لنگ و ببرسی اثرات دورهای که در ان ها ارتعاشات پیچشی عامل رزونانس هستند به دست می آید این کار با توسعه وبسط حل تئوری در نرم افزارهای مربوطه انجام شدنی است در ارتعاشات پیچشی محیط نرم افزار متلب انجام شدنی است همچنین ارتعاشات پیچشی در محیط انسیس انجام می شود در تخلیل عددی از نرم افزار انسیس برای تحلیل فرکانسی استفاده می شود در روش تجربی پس از ثبت فرکانس های پیچشی و خمشی با نرم افزار ایتکس می توان نتایج را به صورت انمیشن مشاهده کرد.
طراحی میل لنگ
طراحی میل لنگ با تعریف متغیرهای اصلی آغاز می شود که شامل؛ فاصله سیلندرها از یکدیگر، طول سیلندر )یا شعاع لنگ(، قطرمحور اصلی میل لنگ، قطر محور شاتون، طول یاتاقان اصلی، طول یاتاقان گژنپین، هندسه وزنه های تعادل، شعاع پخ ها و روش ساخت
میل لنگ اطلاعات اولیه در مورد موتور مورد نظر که شامل نوع موتور، نوع سیستم احتراق، نسبت تراکم موتور، قطر سیلندر، طول جابجایی پیستون و غیره نیاز است. این اطلاعات به عنوان داده های مساله در نظر گرفته می شود و ابعاد میل لنگ نیز به عنوان مجهولات مسئله است.
برای محاسبه قطر یاتاقان گرد میل لنگ ابتدا یک محدوده ی ایمن در برابر شکسته شدن تعیین می گردد مشخص کردن حدود پایین و بالای این محدوده با در نظر گرفتن موارد زیر صورت می پذیرد:
1- از نظریه های تنش برشی بیشینه، انرژی واپیچش، سادربرگ و گودمن برای یافتن بیشترین مقدار قطر استفاده
می شود که این مقدار به عنوان حد پایین محدوده ی تغییرات قطر محور در نظر گرفته می شود.
2- تعیین نوع و قطر مناسب یاتاقان با استفاده از مقادیر استاندارد در کتابچه های یاتاقان
3- استفاده از استانداردهای موجود در کتاب های طراحی خودرو
4- استفاده از نمونه های میل لنگ ساخته شده با مشخصات بررسی شده
پس از به دست آمدن حدود تغییرات قطر میل لنگ ، نمونه های مختلف در این محدوده طراحی و تحلیل می شود و بهترین نمونه از نظر استحکام و وزن انتخاب می گردد.
برای داشتن دیوارهایی با ضخامت و انتقال گرمای مناسب، مقدار حداقل فاصله بین دو مرکز سیلندر در حدود 2/1 برابر قطر سیلندر است، البته برای موتورهایی که طول جابجایی پیستون آن ها تقریبا برابر با قطر سیلندر باشد. نسبت های میل لنگ با استفاده از استاندارد شرکت بوش تعیین می شود
برای اینکه عمر خستگی محور افزایش یابد شعاع پخ بین یاتاقان گرد و بازوی لنگ باید به حد کافی بزرگ و نباید کمتر از 5% قطر یاتاقان گرد ثابت باشد .
همپوشانی یاتاقان گرد محور اصلی و یاتاقان گرد محور لنگ به طول جابجایی پیستون (شعاع لنگ) بستگی دارد
نکته :. موتورهایکه طول جابجایی زیاد دارند همپوشانی کمی دارند و به بازوهای لنگ ضخیم تری نیاز دارند و برعکس موتورهای با طول جابجایی کوتاه دارای همپوشانی مناسبی دارند که خود سبب باعث تقویت محور می شود.
بیشتر اندازه های میل لنگ باید به گونه ای طراحی می شوند که تنش های اسمی مواد تحت شرایط کاری از 20% استحکام تسلیم در خمش و 15% در پیچش تجاوز نکند. پس از اینکه اندازه های میل لنگ بر اساس استاندارد محاسبه شد، قطر میل لنگ با استفاده از
نظریه های شکست بررسی می شود. برای این منظور یک بازوی لنگ در نظر گرفته شده و مقدار خمش در نقاط بحرانی برای آن محاسبه
می شود.
طبق استانداردهای موجود با توجه به مقادیری که برای قطر یاتاقان گرد ثابت به دست آمد برای طراحی قطر یاتاقان بهترین و ایمن ترین مقدار محدوده بین30 میلی متر و 70 میلی متر است
همین روش برای یاتاقان گرد متحرک نیز استفاده شده و محدوده مناسب برای قطر یاتاقان گرد متحرک بین 25 میلی متر و 50 میلی متر به دست می آید.
باتعیین محدوده ی مناسب برای طراحی یاتاقان گرد چندین طرح با اندازه های مختلف در محدوده مشخص شده ایجاد شده و تحت بارگذاری قرار گرفته و تحلیل می گردد. بهترین طرح که نتیجه داد تعیین می گردد
متعادل سازی میل لنگ
میل لنگ باید از دوجهت باید متعادل سازی شود:
توازن هر بازوی لنگ به صورت تکی و با استفاده از وزنه های تعادل
نکته: به اندازه معادل مقدار جرم بازوی لنگ و شاتون ، وزنه های تعادل در طرف مقابل یاتاقان گرد متحرک قرار می گیرند. از نظر دینامیکی این وزنه ها باعث تعادل بازوهای لنگ می شوند.
متعادل سازی مربوط به توازن نیروها و گشتاورهای لرزشی ناشی از احتراق در موتور
بررسی شعاع پخ
وجود پخ و تغییر در شعاع پخ تاثیر زیادی در استحکام میل لنگ دارد. با افزایش شعاع پخ مقدار بیشینه تنش در نقاط بحرانی کاهش
می یابد. مقدار افزایش شعاع پخ باید بر اساس استاندارد صورت پذیرد افزایش بیش از حد پخ نه تنها باعث کاهش تنش نمی شود، بلکه باعث کاهش استحکام میل لنگ و افزایش بیشینه تنش در نقاط بحرانی می گردد.
نیروهای وارد بر میل لنگ
برای محاسبه ی نیروهای وارد بر میل لنگ ابتدا باید فشار ناشی از سوختن ماده ی سوختنی درون محفظه ی احتراق محاسبه شود. برای این منظور با استفاده از روابط ترمودینامیکی احتراق، فشار احتراق محاسبه شده و نیروی وارد بر بازوی لنگ تابعی از سرعت زاویه ای دوران میل لنگ به دست می آید.
فشار احتراق
برای محاسبه نیروی ناشی از احتراق، ابتدا باید فشار احتراق در موتور بررسی شود
به عنوان مثال در سیکل دیزل همانطوری که می دانیم فشار احتراق دریک روند کاری موتور که شامل مکش، تراکم، قدرت و تخلیه است، محاسبه می شود. نمودار فشار حجم دیزل از دو فرآیند فشار ثابت و دو فرآیند بی دررو تشکیل شده است. مقادیر فشار در هر حجم مشخص موتور با استفاده از مقادیر زاویه چرخش میل لنگ از طریق روابط ترمودینامیکی محاسبه می شود و مقدار فشار وارد بر پیستون در هر زاویه به درستی مشخص می گردد.نمودار فشار نسبت به زاویه چرخش میل لنگ با استفاده از نمودار فشار حجم و نسبت حجم سیلندر به زوایه میل لنگ با استفاده از روابط زیر به دست می آید:
که Sفاصله بین محور لنگ و گژنپینa شعاع لنگ میل لنگ ،rطول شاتون،زاویه لنگ ،Bقطرو V حجم سیلندر است
محاسبه نیروی وارد بر لنگ
مجموع نیروی ناشی از احتراق سوخت در محفظه احتراق و نیروی اینرسی ناشی از چرخش میل لنگ در سرعت های زاویه ای مختلف، نیروی وارد بر لنگ را تشکیل می دهند. محاسبه نیروی ناشی از احتراق از نمودار فشار گاز درون سیلندر برای هر زاویه گردش میل لنگ به دست می آید. برای این منظور کافی است مقدار فشار در هر زاویه را در مساحت پیستون ضرب کرد:
نیروی اینرسی ناشی از دوران میل لنگ با محاسبه شتاب مرکز جرم پیستون و شاتون و محاسبه مقدار نیروی وارد بر مفاصل به دست
می آید. در نهایت نیروی کلی وارد بر لنگ مطابق شکل از مجموع نیروهای احتراق و اینرسی محاسبه می شود
تحلیل تنش و خستگی
پس از انتخاب جنس میل لنگ طرح اولیه آماده شده با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود انسیس تحلیل و نیروهای به دست آمده از محاسبات بر روی لنگ وارد می شود. دو نوع تحلیل استاتیکی و دینامیکی مدنظر است. برای تحلیل استاتیکی از روابط حاکم بر سازه های استاتیکی و برای تحلیل دینامیکی از روابط سازه های گذرا استفاده می شود.
ساخت میل لنگ
میل لنگ ها به روش های مختلفی از جمله ریخته گری، آهنگری و ماشینکاری و یا ترکیبی از این روش ها ساخته می شوند. در روش ریخته گری هزینه ها ارزانتر از روش های دیگر است اما سفتی و استحکام قطعه، کمتر از دو روش تولید دیگر است. تولید به روش آهنگری، اگر چه قیمت سرمایه گذاری و هزینه های تولید گرانتری دارد، اما به دلیل استحکام و سفتی بزرگتر، در موتورهای پربازده مانند موتورهای دارای پرخوران، موتورهای دیزل با پاشش سوخت مستقیم و فشار احتراق بزرگ استفاده چشمگیری داشته است. اما اگر تولید انبوه موتور هدف نیست، روش کاملاً ماشینکاری، مناسب ترین روش ممکن خواهد بود. امروزه برای تولید موتورهای نمونه آزمایشی، یا موتورهای دیزل سنگین از این روش استفاده می شود.
سختکاری سطوح سایش و نورد موضعی محل پخ ها به منظور افزایش استحکام خستگی میل لنگ، در موتورهای پربازده به صورتی کاملاً معمول درآمده است. در سختکاری سطوح محور اصلی و محور شاتون ، فقط تا عمقی در حد چندمیکرون، عملیات حرارتی صورت
می پذیرد تا احتمال شکستن در اثر ترد بودن قطعه بوجود نیاید. محل اتصال هر یک از محور ها به باله لنگ، دارای انحنای خاصی است تا از تمرکز تنش در این نقطه جلوگیری کند. نظر به اینکه بحرانی ترین نقطه میل لنگ، این محل است، این سطح به صورت موضعی نورد می شود تا دهانه های ترک های میکروسکوپی بسته شود و در نتیجه استحکام خستگی در این مواضع تا حدود 9.4 برابر افزایش یابد. شعاع پخ ها که به منظور افزایش استحکام خستگی قطعات لحاظ می شود، به وسیله سازنده تایید می شود. البته طراح باید محدودیت های ساخت را در نظر بگیرد.
منابع
علیان، سید جلال الدین. محجوب مقدس، سعید .(5،1391،دی).تحلیل تئوری ،عددی و تجربی ارتعاشات پیچشی میل لنگ خودرو .مهندسی مکانیک مدرس،دوره 13صص102تا111
عبدالهی فر ،علی،خشوعی ،محمد امین و هاشمی سید مسعود .(1395) تحلیل خستگی و بهینه سازی میل لنگ موتور هشت سیلندر خورجینی دیزل. مهندسی مکانیک جامدات،شماره 4
کاظمی ،محمد.رضایی،مهدی.شرقی،پیمان.اصلانی ،علیرضا.مقدم ، فرشید.(1392). بررسی تجربی و عددی تنش در میل لنگ موتور . فصل نامه علمی پژوهشی تحقیقات موتور . شماره 32. صص29تا 36
نکات فنی و مهندسی میل لنگ
0Page 6