بخشی از مقاله
چکیده
در یک موتور با پیستون رفت و برگشتی، شاتون پیستون را به میللنگ متصل میکند که به عنوان ستون فقرات موتور یاد میشود. شکست شاتون یک از خرابی هایی است که اگر اتفاق بیافتد میتواند موجب تخریب کامل موتور شود آناًًکه موتور را به یک آهن قراضه تبدیل شود.
در این تحقیق نحوه خرابی و شکستگی شاتون و پیستون یک موتور 4 سیلندر بنزینی در حین آزمون دوام مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است . عوامل موثر در این خرابی بر اساس نمودار استخوان ماهی مشخص گردید و محتمل ترین دلایل آن مورد بررسی قرار گرفتند. مشخص شد که عامل اصلی شکست شاتون، شل شدن و شکسته شدن پیچ شاتون بوده است .
بر همین اساس نمودار استخوان ماهی جداگانه ای برای جدایش کپه شاتون مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به دلایل و اثرات شکست ذکر شده، دلیل اصلی شکستگی شاتون، جدا شدن کپه شاتون بوده است. علت اصلی این جدا شدن شل شدن و کاهش نیروی پیش بار پیچ ها می باشد. حال بر اساس نمودار استخوان ماهی خرابی شاتون، مشاهدات و نتایج آزمایشگاه موادی و CMM، سه عامل در این جدایش تاثیر گذارند .
عدم متوقف شدن اتوماتیک خط تولید و امکان وجود خطای اپراتور در هم بندی پیچ های شاتون، تغییر شکل پلاستیک کپه پایینی چشم بزرگ شاتون، و حرکت الاکلنگی آن بر روی کپه بالایی شاتون و اریب بودن سطح شکست کپه ها و خارج از محدوده مجاز بودن میل لنگ به لحاظ هندسی، ابعادی و تعادل دینامیکی
مقدمه
در یک موتور با پیستون رفت و برگشتی، شاتون پیستون را به میل لنگ متصل میکند. شاتون میتواند حول هر دو سوراخ بزرگ و کوچک گردش کند، بنابراین زاویه هاش با بالا و پایین رفتن پیستون و گردش میل لنگ تغییر میکند. انتهای بالای شاتون با سوراخ کوچکتر برای قرارگیری پین پیستون، انتهای کوچک نامیده میشود. انتهای پایینی که به میللنگ متصل میشود، انتهای بزرگ خوانده میشود. انتهای بزرگ شاتون پوسته یاتاقان را حول میل لنگ نگه می دارد و همچنین یک سوراخ سر سوزنی به ژورنال یاتاقان میل لنگ دارد که از آنجا روغن روانکاری به بدنه سیلندر پاشیده میشود. شکست شاتون تواندمی با افزایش دمای زیاد و یا نقص تولید اتفاق بیافتد، آناًً سبب می شود، موتور به یک آهن قراضه تبدیل شود. این موضوع یکی از عوامل رایج سوختگی موتور در وسایل نقلیه است.
نیروهایی که بر شاتون اثر گذار هستند شامل نیروهای اینرسی و فشار گاز داخل سیلندر به هنگام فرآیند احتراق می باشد. برآیند این نیروها بر روی جسم به صورت نیروهای خمشی و محوری ظاهر می شود که در تحلیل مسأله بایستی مورد توجه قرار گیرند. تنش های خمشی از نیروهای گریز از مرکز، عکس العمل میل لنگ و نیروهای جرمی قطعات متحرک به خصوص پیستون ناشی می شود. بنابراین شاتون بایستی قابلیت تحمل همزمان تنش های خمشی و بارهای محوری را داشته باشد. اما آنچه در این میان از اهمیت ویژهای برخوردار است پدیده خستگی در شاتون می باشد که برای تمام قطعات مشابه که تحت بارهای نوسانی قرار میگیرند، بایستی به صورت جداگانه پرداخته شود. برای نیل به این هدف بایستی در طراحی شاتون و دیگر قطعات متحرک عمر نامحدود مورد انتظار باشد. این بدان علت است که در فرآیند طراحی هر چقدر هم که دقیق عمل شود، معمولاً در مراحل ساخت مسائلی بروز می کند که در کاهش عمر قطعه مؤثر است.
پرواضح است که شاتون یکی از قطعات مهم و اصلی موتور میباشند که از آن به عنوان ستون فقرات موتور نام برده می شود. از اینرو باید استحکام بالایی در برابر نیروهای فشاری، کششی و همچنین خستگی داشته باشند. شاتونها معمولا به روش آهنگری یا ریختهگری ساخته میشوند و انواع مختلفی از بارها به آنها وارد می شوند، این بارها به چند دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:
-1 بارهای فشاری در جهت طولی ناشی از فشار احتراق وارده بر تاج پیستون
-2بارهای کششی و فشاری تناوبی در اثر تغییر جهت و مقدار سرعت پیستون بواسطه فشار احتراق و اینرسی
-3بارهای خمشی - پیچشی - وارد بر ساق پیستون از طرف گژن پین در راستای محور گژنپین
-4تنشهای خمشی در اثر بارهای فشاری زیاد
-5 کمانش ناشی از بازهای فشاری محوری
این بارها به صورت متناوب به شاتون وارد می شوند و می توانند با افزایش بار و سرعت موتور، افزایش یابند. درصورتی که در چرخه طراحی، تولید و هم بندی اقدامات لازم رعایت نشده باشد، می تواند باعث شکست شاتون شوند. شکست شاتون باعث وقوع خرابیهای جبران ناپذیری در موتور می شود. شکستن شاتون ها اگر به موقع تشخیص داده نشود و موتور خاموش نشود، میتواند باعث خرابی تعداد زیادی از قطعات اصلی و مهم موتور مانند میل لنگ، سیلندرها و بدنه موتور گردد.
شکستن شاتون گاهی اوقات باعث ایجاد شکستهای فاجعه انگیز میشود که ممکن است خطرات جانی نیز برای کاربر داشته باشد. در اکثر این نوع از خرابی ها موتور دیگر قابل تعمیر نمیباشد و یا اینکه تعمیر موتور به صرفه نخواهد بود زیرا بدنه موتور و سیلندرها که یکی از قطعات اصلی و در برخی موارد گران می باشند باید تعویض شوند که نیازمند صرف هزینه زیادی برای تعمیرات و تعویض است. ترمیم شکستگی بدنه موتور و سیلندر اگر چه امکان پذیر است ولی بسیار پردرد سر و پر هزینه است که معمولا این کار در موتورهایی با خرابی زیاد انجام نمیشود - اصطلاحاً ترمیم بدنه موتور را دوختن سیلندر میگویند و با استفاده از الکترود هایی از جنس سیلندر که معمولا از جنس چدن است جوشکاری و ترمیم میشود که هم هزینهبر است و هم ممکن است به خوبی ترمیم نشود - .
بطور خلاصه می توان گفت که طرح شاتون می بایست بهگونه ای باشد که ضمن دارا بودن حداقل ارتفاع، دارای حداکثر مقاومت بهمراه حداقل جرم باشد. از آنجاییکه هنگام کار موتور انواع بارهای دینامیکی و ضربهای به شاتون وارد میشوند، لذ جنس شاتون از آلیاژهای فولادی و مقاوم به خستگی انتخاب میگردد برای این منظور غالباً از فولاد فورج شده و در برخی موتورها از آلومینیوم فورج و یا آهن ریختهگری استفاده میشود. در شکل - 1 - نمایی از شاتون یک موتور 4 سیلندر با تمام جزئیات طراحی دیده میشود.
چشم کوچک شاتون سوراخی به قطر گژنپین دارد و تمام بارهای اعمال شده به پیستون از طریق گژن پین به این انتها وارد می شود. اندازه قطر سوراخ بستگی به قطر گژنپین دارد و ضخامت قطعه در اطراف آن به میزان نیرویی که وارد می شود بستگی دارد. سطح داخلی این سوراخ نیاز به یک سطح سایشی با مقاومت بالایی دارد، که برای برآوردن این نیاز، در داخل سوراخ کوچک شاتون پوستههای نازکی به نام بوش جا زده میشود که معمولاَ از جنس آلیاژ برنجی یا برنزی است و سطح بسیار صیقلی دارد. برای جا زدن بوش در داخل سوراخ به یک نیروی اولیه ای نیاز است که باعث می شود مقداری تداخل بین بوش و شاتون ایجاد شود. این تداخل خود باعث پیدایش یک تنش اولیه در قطعه خواهد شد که اصطلاحاَ به آن تنش ناشی از جا زدن بوش گفته میشود. در موتورهای جدید اشتعال جرقهای سطح خارجی چشم کوچک را همانطور که از شکل - 1 - پیداست کمی بصورت زاویه دار میسازند تا عملیات فرج1 با سهولت بیشتری انجام گیرد. و پس از انجام عملیات فرج، تمام دور شاتون ماشین کاری میشود.
شکل :1 نمایی از اجزای اصلی شاتون و نمای چشم کوچک
فولاد جدید C-70 به عنوان یک فولاد جدید آهنگری برای شاتون موتورهای جدید معرفی شده است. المان های آلیاژی در این ماده اجازه میدهند که شاتون با طی یک فرآیند کنترل شده سرد کردن، سختکاری شود. این ماده شبیه مواد متالورژی پودر شده میشکند. اخیراً گروه میله و مفتول انجمن آهن و فولاد آمریکا آلیاژ C-70 را به عنوان یک ماده بهبود یافته نسبت سایر فولادهای آلیاژی معرفی کرده است. این کار بر اساس کار بهینهسازی و تحلیل اقتصادی انجام شده در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تولدو صورت گرفته است. این تحقیق در مورد فرصتهای کاهش هزینه و وزن شاتونهای آهنگری شده انجام شده است. آنالیز بر روی مقایسه و سپس بهینه سازی طراحی شاتون با استفاده از فولاد قابل ترک خوردن C-70 و آنالیز المان محدود متمرکز بوده است.
دلایل متعددی برای شکستن شاتون وجود دارد که در این گزارش به این عوامل بصورت تخصصی پرداخته میشود. با توجه به شکستگی شاتون موتور موضوع شکست آن بطور تخصصی بررسی میگردد. این تحقیق شامل دو بخش عمده برای تحلیل خرابی شاتون است. در بخش اول آن به بررسیهای مکانیکی و مشاهدات چشمی و همچنین نحوه کارکرد موتور پرداخته میشود و در بخش دوم کیفیت موادی قطعات تخریب شده مورد بررسی قرار میگیرد.
مشاهدات
تاریخچه خرابی شاتون در برخی موتورها، نشان داد می دهد این قطعه تا کنون در برخی آزمون های موتوری دچار خرابی و شکست شده است. بررسی ها تاریخچه خرابی ها بر اساس برگههای اعلام خرابی صادر شده نشان داد که بسیاری از خرابی های سایر قطعات به علت شکستگی شاتون بوده است. تاکنون 4 مورد برگه اعلام خرابی در مورد در این خصوص صادر شده که در طول آزمون های دوام مشاهده شده است.
در شکل 2 بلوک سیلندر شکسته شده موتور نشان داده شده که شاتون و گژن پین نیز در این قسمت با میل لنگ قابل مشاهده است.همچنین بروی کف استند موتور قطعات شکسته شده موتور نیز رویت شد - شکل . - 5
شکل :2 نمایی از بلوک سیلندر آسیب دیده از ناحیه سیلندر
بررسی خرابی موتور مذکور نشان داد که پیستون موتور بطور کامل تخریب شده، یاتاقان پیستون کاملاً کنده شده و پیستون در جهت عمود بر گژن پین دچار ترک عمیق شده است. شاتون از ناحیه ساق با زاویه تقریبی 45 درجه شکسته شده است - شکل . - 3 هر دو سطح یاتاقانی چشم شاتون سالم بوده و هیچگونه اثر سایش ندارند. هر دو پیچ شاتون شکسته شده و قسمت انتهایی در داخل شاتون گیر کرده است. جت روغن سیلندر شماره 1 نیز آسیب دیده و بطور کامل مسدود شده است. پوسته یاتاقان ها بطور کامل له شده است. قاب نردبانی سوراخ شده و باعث خم خوردگی قاب نردبانی گردیده است. پس از بررسی های دقیق لازم شد که موتور بطور کامل دمونتاژ شود. ابتدا قسمت بالایی موتور باز شد و مشخص شد که ساق سوپاپهای هوای سیلندر شماره 1 بر اثر برخورد با پیستون خم گردیده است.
شکل :3 نمای شاتون، پیچ و پوسته یاتاقان آسیب دیده
روش تحلیل خرابی
جلسه طوفان ذهنی با حضور متخصصین از سازمانها و گروههای مختلف به منظور بررسی علل خرابی و تهیه نمودار استخوان ماهی تشکیل شد. همانطور که در دیباچه اشاره شد، عوامل بسیار متعددی در شکستگی شاتون می توانند دخیل باشند.
