Kliková hřídel minibiku je klíčovou součástí dvoudobého jednoválcového motoru, protože přeměňuje pohyb pístu na rotační pohyb potřebný k pohonu kol. Bakalářská práce na toto téma se může zaměřit na konstrukci, kinematiku, silové poměry, pevnostní kontrolu, vyvážení, výrobu a praktické ověření klikového hřídele.
Minibike je označení pro malý motocykl osazený dvoudobým spalovacím motorem o obsahu 40 nebo 50 cm3. Stroj je určený pro závodní okruhy a nejen pro mladé jezdce, ale i seniory. U běžných dětských minibiků a čtyřkolek se používá také jednoduchý dvoudobý motor o objemu 49 cm3.
Vymezení tématu bakalářské práce
Diplomová práce se zabývá pevnostní kontrolou klikové hřídele spalovacího motoru pro závodní motocykl. Teoretická část se zabývá obecnou problematikou namáhání klikové hřídele, popis jednotlivých provedení klikových hřídelí a následné představení kontrolované klikové hřídele pro jednoválcový motor.
Praktická část začíná tvorbou simulačního 1D modelu v softwaru Ricardo Wave, který je vstupem pro namáhání klikové hřídele. Dále došlo k analýze kinematických a silových poměrů včetně volby zatížení klikové hřídele. Výpočet začíná analytickým řešením, dále pokračuje numerickým řešením s postupnou úpravou ve složitější sestavu modelu s využitím MKP.
Na závěr došlo k vytvoření výkresové dokumentace a shrnutí veškerých poznatků tvorby práce. Konstrukční a výpočtové řešení může být doplněno také o posouzení výrobní technologie, vhodnosti materiálů, vlivu výrobních odchylek a ověřovacích zkoušek prototypu.
Konstrukce motoru minibiku
Motor těchto dětských strojů je relativně jednoduchý, ale zároveň velmi efektivní. Jádrem dětského minibiku nebo čtyřkolky s 2T 49cc motorem je vždy stejný mechanismus a elektrický systém.
Na úplném předku motoru, přímo na karburátoru, najdeme vzduchový filtr. Jeho úkolem je čistit vzduch, který motor nasává ke spalování, od prachu a nečistot, čímž prodlužuje životnost motoru a udržuje optimální chod.
Za vzduchovým filtrem je karburátor, který míchá nasávaný vzduch s benzínem ve správném poměru potřebném pro efektivní spalování v motoru. V tomto modelu je karburátor jednoduchý a snadno nastavitelný.
Mezi karburátorem a blokem motoru se nachází redukce, která zajišťuje správné připojení karburátoru k motoru a přispívá k regulaci průtoku směsi. Pod redukcí jsou ukryté tzv. dvojjazyčkové klapky, které fungují jako ventil umožňující nasávání směsi pouze v jednom směru.
Blok motoru je ukončen válcem, ve kterém se pohybuje píst. Pístní sada zajišťuje správné těsnění a přenos výkonu. V hlavě válce je umístěna zapalovací svíčka, která zapaluje směs paliva a vzduchu ve spalovací komoře.
Úloha klikového hřídele
V bloku motoru se nachází klikový hřídel. Ten přeměňuje pohyb pístu na rotační pohyb potřebný k pohonu kol. Klikový mechanismus současně přenáší síly vznikající tlakem plynů ve válci i setrvačné síly pohybujících se částí.
Klikový hřídel je zatěžován zejména krouticím momentem, ohybem, tahovými a tlakovými silami a odstředivými účinky rotujících částí. U dvoudobého jednoválcového motoru se zatížení mění v závislosti na poloze klikového mechanismu, otáčkách motoru, tlaku ve válci a hmotnosti pístních a ojnicových částí.
U dvoudobých zážehových motorů vozidel jsou typicky používány dělené klikové hřídele, což souvisí s použitím valivých ložisek na ojničním čepu. Konstrukční provedení klikového hřídele proto musí zohlednit nejen přenos zatížení, ale také montáž ložisek, ojnice a jednotlivých klikových ramen.
Provedení klikového hřídele minibiku
Tato diplomová práce se zabývá inovací skládaného klikového hřídele minibiků společnosti Blata. Inovace spočívá v návrhu a ověření lisovaného spoje v oblasti uložení hlavních čepů v ramenech klikového hřídele.
Lisovaný spoj je navržen na základě silového rozboru na klikovém hřídeli při maximálních otáčkách motoru. Navrhovaná řešení jsou ověřena pomocí MKP výpočtů. Na základě výsledků je vybrána nejvhodnější varianta.
Pro vybranou variantu je zjišťován vliv silového působení při maximálním výkonu stroje. Na základě všech těchto skutečností je na závěr proveden konstrukční, technologický a ekonomický rozbor realizovatelnosti nové technologie výroby.
Úkolem diplomanta bylo inovovat klikové hřídele malých motocyklových dvoutaktních motorů f. Blata z výrobního hlediska a proveřit MKP výpočtem možnost výroby klikových ramen ze dvou kusů pomocí lisování za využití dostupných technologií f. Blata.
Hlavní části klikového mechanismu
Klikový mechanismus tvoří především píst, pístní čep, ojnice, ojniční čep, kliková ramena, hlavní čepy a ložiska. Jednotlivé části musí společně zajistit přesný převod přímočarého pohybu pístu na rotační pohyb klikového hřídele.
Píst přenáší sílu vzniklou tlakem plynů ve válci na ojnici. Ojnice přenáší tuto sílu na ojniční čep a kliková ramena převádějí působící sílu na krouticí moment. Hlavní čepy přenášejí zatížení do hlavních ložisek a následně do skříně motoru.
U skládaného klikového hřídele jsou kliková ramena a čepy spojeny nalisováním. Kvalita tohoto spojení závisí na rozměrových tolerancích, materiálu, geometrii styčných ploch, velikosti přesahu a technologii lisování.
Kinematické a silové poměry
Praktická část práce zahrnuje analýzu kinematických a silových poměrů včetně volby zatížení klikové hřídele. Kinematický rozbor určuje polohu, rychlost a zrychlení pístu v závislosti na úhlu natočení klikového hřídele.
Silový rozbor vychází z tlaku plynů ve válci, setrvačných účinků posuvných částí a hmotnosti rotujících částí. Výsledné zatížení ojnice a klikového hřídele se mění během pracovního cyklu motoru.
Hlavním cílem konstrukčně výpočtového návrhu klikové hřídele dvoudobého zážehového jednoválcového motoru je stanovení vlivu hodnoty částečného vyvážení setrvačných sil posuvných částí prvního řádu na zatížení jednotlivých částí motocyklu.
Hodnoceno je zatížení hlavních ložisek klikové hřídele a míst pro uložení motoru. Stanoveno je také zrychlení vzniklé v řídítkách a místech pro uložení stupaček.
Tlak plynů a síla působící na píst
Průběh tlaku plynů ve válci nad pístem představuje jeden ze základních vstupů pro výpočet zatížení klikového mechanismu. Tlak působící na plochu pístu vytváří sílu, která se prostřednictvím pístního čepu a ojnice přenáší na klikový hřídel.
Praktická část může začínat tvorbou simulačního 1D modelu v softwaru Ricardo Wave, který je vstupem pro namáhání klikové hřídele. Pro výpočtové modelování klikového mechanismu lze využít také prostředí Multi-Body System.
Výsledky simulace umožňují stanovit průběh tlaku ve válci a následně určit zatížení pístu, ojnice, ojničního čepu, klikových ramen a hlavních ložisek. Při hodnocení je nutné uvažovat také tlak v klikové skříni a její tuhost, protože tyto veličiny ovlivňují chování dvoudobého motoru.
Vyvažování klikového hřídele
U jednoválcového motoru vznikají významné setrvačné síly posuvných částí. Jedná se především o píst, pístní čep, pístní kroužky a část hmotnosti ojnice. Tyto síly se periodicky mění v závislosti na otáčkách a poloze klikového mechanismu.
Částečné konstrukční vyvážení setrvačných sil posuvných částí prvního řádu ovlivňuje zatížení motoru, rámu, řídítek a míst pro uložení stupaček. Vyvážení však musí být zvoleno s ohledem na celkové zatížení ložisek, skříně motoru a konstrukce motocyklu.
Téma diplomové práce bylo vypsáno na žádost studenta, jenž se chtěl zabývat klikovým mechanismem a možnostmi jeho částečného konstrukčního vyvážení u jím navrhovaného závodního motoru v rámci pravidel daných kategorií JAWA 50 Speciál.
Částečné konstrukční vyvážení I. řádu setrvačných sil posuvných částí navrženého a vyrobeného klikového mechanismu je prozatím velmi konservativní a nezahrnuje poznatky získané MBS simulacemi. To by však nebylo obtížné napravit u případného dalšího evolučního stupně klikového hřídele.
Analytické řešení
Výpočet začíná analytickým řešením. Analytický postup umožňuje odvodit základní průběhy sil, momentů a napětí v jednotlivých částech klikového mechanismu.
Analytické řešení poskytuje kontrolní základ pro další numerické výpočty. Jeho výsledky lze využít k ověření správnosti okrajových podmínek, zatížení a zjednodušení použitých v numerickém modelu.
Do analytického výpočtu vstupují geometrické parametry klikového mechanismu, otáčky motoru, tlak ve válci, hmotnosti pohybujících se částí, průměr pístu, délka ojnice a poloha klikového hřídele.
Numerické řešení a metoda konečných prvků
Analytické řešení dále pokračuje numerickým řešením s postupnou úpravou ve složitější sestavu modelu s využitím MKP. Metoda konečných prvků umožňuje posoudit rozložení napětí, deformací a bezpečnosti v kritických oblastech klikového hřídele.
Navrhovaná řešení lisovaných spojů jsou ověřena pomocí MKP výpočtů. Na základě výsledků je vybrána nejvhodnější varianta. Výsledky výpočtů lze porovnávat podle velikosti napětí, deformací, kontaktního tlaku a bezpečnostních faktorů.
MKP výpočty je vhodné podpořit reálnými, experimentálně změřenými charakteristikami použitých materiálů. Při posuzování lisovaných spojů je nutné věnovat pozornost také vlivu výrobních odchylek v rámci tolerancí.
Kvalita lisovaných spojů je ovlivňována výrobními odchylkami v rámci tolerancí u firmy Blata. Tato otázka patří mezi důležitá témata při ověřování použitelnosti nové konstrukce klikového hřídele.
Modelování v prostředí Multi-Body System
Druhá část konstrukčně výpočtové práce se věnuje výpočtovému modelování klikového mechanismu v prostředí Multi-Body System. Hlavním cílem je stanovení vlivu hodnoty částečného vyvážení setrvačných sil posuvných částí prvního řádu na zatížení jednotlivých částí motocyklu.
Multibody simulace klikového ústrojí umožňuje analyzovat přenos sil na rám motocyklu. Pro zamýšlený účel je vhodné interpretovat výsledky také vzhledem k interním součástem motoru.
Modální a pevnostní analýzy je vhodné zaměřit primárně na navrženou skříň motoru. Konstrukční řešení uložení motoru v rámu, stejně tak jeho jiné části je relativně snadné a nenákladné případně přizpůsobit až na základě provozních zkoušek.
Lisovaný spoj klikového hřídele
Lisovaný spoj je navržen na základě silového rozboru na klikovém hřídeli při maximálních otáčkách motoru. Jeho úkolem je zajistit pevné spojení čepu s klikovým ramenem a bezpečný přenos krouticího momentu i dalších působících sil.
Pro vybranou variantu je zjišťován vliv silového působení při maximálním výkonu stroje. Při návrhu je třeba posoudit, zda nedojde k pootočení čepu, uvolnění spoje nebo překročení dovoleného napětí v okolí uložení.
Výroba klikových ramen ze dvou kusů pomocí lisování využívá dostupné technologie f. Blata. Na základě pozitivních výsledků výpočtů byla navržena následná výroba prvních prototypů a jejich ověřovací zkoušky.
Dále se práce zabývá návrhem variant technologie lisování, což potvrzuje komplexnost přístupu diplomanta. Na závěr hodnocení byla vyzdvižena také následná použitelnost výsledků práce pro výrobu.
Výrobní a technologické hledisko
Na základě všech těchto skutečností je proveden konstrukční, technologický a ekonomický rozbor realizovatelnosti nové technologie výroby. Při hodnocení je třeba zohlednit dostupné výrobní zařízení, přesnost obrábění, kontrolu rozměrů a opakovatelnost lisování.
Výrobní proces musí zajistit správnou vzájemnou polohu klikových ramen, souosost hlavních čepů a požadovanou polohu ojničního čepu. Nedodržení geometrických tolerancí může vést ke zvýšeným vibracím, nerovnoměrnému zatížení ložisek a zhoršení životnosti motoru.
Využitelnost výsledků v praxi je zcela nepopiratelná, neboť výsledkem je dokumentovaná vlastní skutečná pohonná jednotka terénního závodního motocyklu kategorie JAWA 50 Speciál. Výrazný je tudíž také autorův vlastní přínos a originalita popisovaných postupů.
Výkresová dokumentace
Na závěr došlo k vytvoření výkresové dokumentace a shrnutí veškerých poznatků tvorby práce. Výkresová dokumentace musí zachytit tvar klikových ramen, rozměry hlavních a ojničních čepů, uložení lisovaných spojů, tolerance a požadavky na výrobu.
Součástí dokumentace mohou být také výkresy sestavy, jednotlivých dílů, montážní postupy a údaje potřebné pro kontrolu výsledného klikového hřídele. Přesné zakreslení geometrie je důležité zejména u souososti, rovnoběžnosti a vzájemné polohy čepů.
Vztah klikové hřídele k ostatním částem motoru
Na levé straně motoru se nachází ruční startér, který umožňuje nastartování motoru manuálně. Pod startérem je umístěna indukční cívka - jediný elektrický komponent na tomto motoru. Tato cívka vytváří vysoké napětí potřebné pro zapálení směsi.
Na pravé straně můžeme najít podle typu buď jednoduchou převodovku nebo přímo spojkový zvon s vývodovým kolečkem. Pod spojkovým zvonem jsou umístěny čelisti spojky, které přenášejí krouticí moment na pohon kola.
Elektrická soustava u základních modelů s 2T 49cc motorem je mimořádně jednoduchá. Jediným elektrickým komponentem na minibiku bez elektrického startéru je indukční cívka.
Kromě toho je součástí elektrického obvodu tenký zelený kabel zakončený plochým konektorem, který slouží jako kill switch - tlačítko na zastavení motoru. Když tento kabel spojíme se zemí (kostrou), motor se okamžitě zastaví.
Provozní zatížení a vibrace
Klikový hřídel pracuje v podmínkách proměnlivého zatížení a vysokých otáček. Kromě pevnosti jednotlivých dílů je proto nutné posuzovat také dynamické účinky, vibrace, únavu materiálu a životnost ložisek.
Stanoveno je také zrychlení vzniklé v řídítkách a místech pro uložení stupaček. Tyto výsledky pomáhají posoudit, jak se změny konstrukce klikového mechanismu projeví v celém motocyklu.
U dvoudobého závodního motoru je důležité sledovat také průběh momentové křivky. Konstrukční změny motoru mohou průběh momentu modifikovat, například změnou geometrie motoru, časování nebo dalších parametrů, které ovlivňují plnění a spalování.
Ověření výpočtů a prototypu
Vzhledem k pozitivním výsledkům výpočtů byla navržena následná výroba prvních prototypů a jejich ověřovací zkoušky. Experimentální ověření umožňuje porovnat skutečné chování klikového hřídele s výsledky analytických a numerických výpočtů.
Provozní zkoušky mohou odhalit vliv skutečných výrobních tolerancí, montážních nepřesností, teploty, mazání a dynamického zatížení. Získané výsledky mohou sloužit jako podklad pro další evoluční stupeň klikového hřídele.
Výsledky práce jsou působivé, o jejich uplatnění v praxi nemůže být pochyb. Student jasně prokázal potřebné dovednosti a inženýrský přístup k řešení složitého a komplexního technického problému.
Zařazení práce do oblasti strojního inženýrství
Téma klikové hřídele minibiku spojuje konstrukční inženýrství, teorii mechanismů, pevnostní výpočty, numerické metody, technologii výroby a experimentální ověřování. Práce může být zařazena do oblasti strojního inženýrství, konstrukčního návrhu a vývoje spalovacích motorů.
Klíčová témata zahrnují dvoudobý motor, minibike Blata, klikový mechanismus, skládaný klikový hřídel, lisovaný spoj, silový rozbor, kroutící moment a MKP. Dalšími důležitými oblastmi jsou vyvažování, vibrace, Multi-Body System, únava materiálu a přesnost výroby.
Výsledkem je komplexní postup od popisu konstrukce přes vytvoření simulačního modelu, analýzu kinematických a silových poměrů, analytický výpočet a MKP analýzu až po výkresovou dokumentaci a návrh výroby prototypu.
Ako vymeniť štartér na minibiku a vybrať správny typ statora
Struktura doporučeného řešení práce
- Teoretická část: obecná problematika namáhání klikové hřídele, popis jednotlivých provedení klikových hřídelí a představení kontrolované klikové hřídele pro jednoválcový motor.
- Popis motoru: dvoudobý zážehový jednoválcový motor minibiku, jeho válec, pístní sada, karburátor, jazýčkové klapky, kliková skříň a zapalování.
- Kinematický rozbor: stanovení polohy, rychlosti a zrychlení pístu v závislosti na natočení klikového hřídele.
- Silový rozbor: určení sil od tlaku plynů, setrvačných sil a výsledného zatížení ojnice a klikového hřídele.
- Simulační model: tvorba 1D modelu v softwaru Ricardo Wave nebo výpočtového modelu v prostředí Multi-Body System.
- Analytický výpočet: stanovení průběhu sil, momentů, napětí a základních bezpečnostních charakteristik.
- MKP analýza: vytvoření modelu klikového hřídele, zadání okrajových podmínek, zatížení a vyhodnocení napětí a deformací.
- Lisovaný spoj: návrh, výpočet a porovnání variant spojení hlavních čepů s klikovými rameny.
- Výroba prototypu: návrh technologie lisování, kontrola geometrie a provedení ověřovacích zkoušek.
- Dokumentace: vytvoření výkresové dokumentace a zpracování výsledků do závěrečného technického hodnocení.
Takto pojatá bakalářská práce poskytuje ucelený pohled na klikovou hřídel minibiku jako na součást, která musí současně splnit požadavky pevnosti, tuhosti, přesnosti, vyvážení, montáže, výroby a provozní životnosti.
tags: #bakalarska #prace #klikova #hridele #minibiku