بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به گسترش استفاده از موتورهاي مختلف با مورد کاربرد متنوع و به منظور بهبود و اصلاح قطعات آن، دانستن شرایط کاري و نیروهاي اعمال شده بر آنها جزء پارامترهاي اولیه در طراحی محسوب می شوند. یکی از اجزاي اصلی موتور، مکانیزم لنگ آن میباشد که در آن حرکت رفت و برگشتی پیستون به حرکت دورانی میللنگ تبدیل میگردد.
به منظور بررسی وضعیت دینامیکی موتور و تعیین نیروهاي اعمال شده بر قسمتهاي مختلف مکانیزم، نیاز به برنامهاي میباشد که از طریق آن بتوان پارامترهاي دینامیکی مربوط به مکانیزم را در سرعت و شتاب لحظهاي و در زوایاي مختلف میللنگ محاسبه نمود. به همین منظور در این تحقیق تحلیل سینتیکی سینماتیکی مکانیزم لنگ لغزنده انجام شد و برنامه آن توسط نرمافزار تهئهصهق توسعه داده شد. به منظور صحهگذاري نتایج این تحلیل شبیهسازي موتور در نرم افزار تخصصی
مقدمه
در جهت استفاده از موتورهاي جدید، نیازهایی همچون توان خروجی بالا، وزن کم، مصرف سوخت پایین، کنترل و کم کردن سایش، خردگی و شکستگی باید توسط سازندگان برآورده شود. لذا شناسایی، بررسی و بهینهسازي قسمتهاي مختلف که عموماً تحت خطر خردگی، سایش و شکست هستند، اهمیت بسزایی دارد. به همین علت تحلیل دقیق قطعات موتور براي طراحیهاي جدید یا بهینه سازي ضروري است.
طراحی و تحلیل قطعات موتور در گذشته با روشهاي دستی انجام میشد. ولی در دهههاي اخیر که نرمافزارهاي طراحی مکانیکی به بازار عرضه شدهاند، محاسبات دستی جاي خود را به محاسبات دقیق نرمافزاري دادهاند. در این روشها ابتدا قطعه مورد نظر را در نرمافزار مدلسازي میکنند، و سپس این قطعه تحت تحلیل استاتیکی و دینامیکی قرار می گیرد.
یکی از مجموعههاي مهم در هر موتور احتراق داخلی، مکانیزم لنگ آن میباشد، که در آن حرکت رفت و برگشتی پیستون از طریق شاتون و قطعات واسط، به حرکت دورانی میللنگ تبدیل میگردد. در اثر پدیده احتراق و بوجود آمدن نیروهاي فشاري حاصل از انبساط گاز، پیستون به سمت پایین حرکت کرده و در نهایت یک کار خروجی از موتور بدست میآید.
قطعات این مکانیزم شامل پیستون، رینگها، گژنپین، شاتون، میللنگ و یاتاقĤنهاي مربوطه به آنها میباشند - شکل . - 1 هر یک از اجزاء فوق با توجه به نوع کاربرد آنها در موتورهاي بنزینی و یا دیزلی، داراي پارامترهاي طراحی مربوط به خود میباشند که این پارامترها با دانستن چگونگی شرایط عملکرد موتور، طراحی دینامیکی، تحلیل تنش و نهایتاً انتخاب جنس براي قطعات انجام میشود
شکل : 1 مجموعه قطعات مکانیزم لنگ - مدلسازي شده در نرمافزار غَپطب -
در اثر پدیده احتراق و بوجود آمدن نیروهاي فشاري حاصل از انساط گاز، پیستون به سمت پایین حرکت کرده و در نهایت یک کار خروجی از موتور بدست میآید. در ضمن این فرایند، سرعت و شتاب زاویهاي میل لنگ در طول سیکل حرکتی آن - منظور از سیکل مجموعه کورسهایی آن که در سیلندر موتور اتفاق افتاده و بطور متوالی و پیوسته تکرار میشود - تغییر کرده و نیروهایی بر قسمتهاي مختلف مکانیزم وارد میشوند.
از پارامترهاي مهمی که میبایست در تحلیل سینماتیکی و دینامیک از آنها استفاده شوند اثر تغییر سرعت و شتاب زاویهاي میل لنگ میباشد. از پارامترهاي مهم دیگر در بدست آوردن این نیروها، در نظر گرفتن لقی موجود در اتصالات میباشد که تاثیر قابل توجهی در عملکرد سیستمهاي مکانیکی با دور بالا دارند که توجه به آن براي طراحان امروزي ضروري است، چرا که وجود لقیها اجتناب ناپذیر بوده و لقی با مقادیر هر چند کم نیز سبب بوجود آمدن نیروهاي ضربهاي و در نتیجه اختلال در نوسانات و ارتعاشات موتور میگردد.
بنابراین براي حل عددي این سیستمها همراه با در نظر گرفتن مقادیر لقی، لازم بوده و براي این منظور حل یک مجموعهاي از روابط اعداد مختلط با در نظر گرفتن سطوح برخورد احتمالی - در اثر وجود لقی - میتواند بصورت خطی و یا غیر خطی مطرح شوند.
هدف از این تحقیق شبیهسازي دینامیکی به منظور تعیین پارامترهاي دینامیکی در مکانیزم لنگ - لغزنده موتورهاي احتراق داخلی میباشد. در ادامه روابط سینماتیکی، دینامیکی و سینتیکی در مکانیزم لنگ و لغزنده آورده شده و شرایط سادهسازي معادلات بیان میگردد، و نتایج این روابط با نتایج مدل سازي موتور در نرم افزار مقایسه میشود.
پیشینه تحقیق
براي این منظور کارهایی توسط محققین در گذشته انجام گرفته است، که بطور مختصر بیان میگردد. دابوسکیو و همکاران با استفاده از مختصات متغییري که مربوط به اغتشاشات لحظهاي پیستون میباشد، تحلیل دینامیکی مکانیزم لنگ را با در نظر گرفتن چندین لقی حل نمودهاند
تمامی بررسیهاي انجام شده در ارتباط با تعیین وضعیت دینامیکی مکانیزم لنگ به صورتی میباشد که در آنها سرعت زاویهاي میللنگ ثابت بوده و همچنین از اثر فشارهاي گاز درون سیلندر و عوامل بوجود آورنده اصطکاك درونن صرفنظر شده است. نکته مهم دیگر در تحلیل دینامیک موتور، شبیه سازي شرایط گذراي موتور به منظور تعیین سرعت و شتاب زاویهاي لحظهاي میللنگ میباشد. اغلب کارهاي انجام شده در حالت پایدار موتور، به منظور بهینه نمودن پارامترهاي طراحی موترو و با هدف حداقل رساندن مصرف سوخت و توان ماکزیمم بوده است. تحقیقات اولیهاي که بر روي مدلسازي دینامیکی موتور بوده است به دو گروه اصلی تقسیم بندي میگردند:
-1 پایدار غیرخطی
-2 حالت گذراي غیرخطی بیشتر کارهاي انجام شده در ارتباط با گروه اول مربوط به سالهاي - 1989-1993 - میباشد. مدلها پایدار غیرخطی به منظور شبیهسازي کردن موتورهاي اشتعال جرقهاي و به منظور بدست آوردن گشتاور و فشار درون سیلندر انجام شده است و مدلهاي گذراي غیر خطی با در نظر گرفتن ترکیب حالتهاي ترمودینامیکی و دینامیکی براي یک موتور تک سیلندر و چند سیلندر انجام شده است که آغاز این فعالیتها در سال 1997 میباشد. این مدلها از یک برنامه ترمودینامیکی شبیهسازي پایدار استفاده میکند.
با مقایسههاي انجام شده بین نتایج حاصل از این شبیهسازي و نتایج بدست آمده از آزمایشها در حالت واقعی، میتوان یک هماهنگی بین نتایج پیدا نمود ولی با این وجود در برخی از موارد محدودیت هایی همچون اثر شکل هندسی تعدادي از قطعات نیز وجود دارد.
بررسی دینامیک مکانیزم لنگ به لحاظ روابط تحلیلی در اکثر کتابهاي مرجع طراحی موتور مانند کلچین و دمیندوف آورده شده است. مکانیزم لنگ بصورت سینتیکی و سینماتیکی آنالیز شده و بدون در نظر گرفتن لقی هاي موجود مکانیزم لنگ موتور نمودارهاي مربوطه در مقابل زاویه لنگ ارائه شده است
تحلیل جامع مکانیزم لنگ به کمک روابط تحلیلی تحقیقی بوده است که توسط پرفسور فاطمی و همکاران براي تحلیل دینامیکی بارهاي وارده به شاتون و میللنگ انجام شدهاست. در این پژوهش تمام سرعت و شتاب پیستون و شاتون، نیروهاي وارده به چشم کوچک و بزرگ شاتون بدست امده و نمودارهاي آنها در مقابل زاویه لنگ ارائه شده است از اثر لقی و اصطکاك صرف نظر شده است.
ارکایا و همکاران طی تحقیقی به بررسی مکانیزم لنگ لغزنده با در نظر گرفتن اثر خارج از مرکزي سیستم لنگ براي توسعه یک جعبهدنده سیارهاي پرداختند. در تحقیقی دیگر گازومی و همکاران به بررسی اثر خروج از مرکز بودن پیستون و میللنگ پرداختند. در این تحقیق اثر نیروي اینرسی ایجاد شده بواسطه خارج از مرکز بودن مکانیزم لغزنده به روش دینامیکی و ارتعاشی بررسی شده و روابط تحلیلی ان ارائه شده است
