بخشی از مقاله
چکیده
روش های تجربی و آزمایشگاهی در صنایع خودروسازی، معمولا پر هزینه و زمان بر است، بنابراین روش اجزاء محدود نقش مهمی در طراحی و توسعه قطعات خودرو ایفا می کند. یکی از قطعات مهم خودروها، واشرهای سرسیلندر است.در این تحقیق ابتدا واشر سرسیلندر تک لایه خودروی پراید به جنس فولاد با میزان کربن بیشتر از ./3 درصد و ضخامت 1/5میلیمتر در نرم افزار ABAQUS مدل سازی می گردد. سپس واشر در حالت بار کامل - دور موتور 4000rpm - ، یعنی زمانی که خودرو از لحاظ بارهای حرارتی به تعادل رسیده و میزان کشش پیچهای سر سیلندر در محل بلوک، فشار و دمای گازهای درون سیلندر ها بیشترین مقدار ممکن را دارند، شبیه سازی شده و تنش های حرارتی و مکانیکی به وجود آمده در آن مورد بررسی قرار می گیرد. مطالعه نتایج آشکار می کند، نقاطی که تنش بیشتری دارند، به آب بندی بیشتری نیز نیاز دارند.
واژه های کلیدی:واشر سرسیلندر، تنش های حرارتی و مکانیکی، روش اجزاء محدود
مقدمه
امروزه معمولا واشرهای سرسیلندر چند لایه از جنس فولاد زنگ نزن به کار برده می شوند. یک واشر سرسیلندر مناسب واشری است که بتواند آب بندی محفظه احتراق، راهگاه مایع خنک کاری و روغن را در محدوده وسیعی از عملکرد موتور به خوبی انجام دهد. در تحلیل ها معمولا فشار تماسی روی واشر و تنش های حرارتی ایجاد شده در شرایط بارگذاری مختلف موتور از جمله مونتاژ سرد، استارت سرد، احتراق و سرد شدن موتور به روش های عددی مانند روش اجزاء محدود مورد مطالعه قرار می گیرد.نتایج تحقیقات نشان می دهد که بازدهی واشر سر سیلندر به نیروی پیش کشش پیچ و مهره های نگهدارنده بدون در نظر گرفتن هرگونه تنش های حرارتی ناشی از توزیع دما در سر سیلندر بستگی دارد.
با این حال، مکان حداکثر فشار تماسی در واشر زمانی که بارهای حرارتی نیز در نظر گرفته شوند، نسبت به حالت قبل جا به جا می شود. با توجه به تماس بین سر سیلندر و واشر و همچنین تماس بین سر سیلندر و پیچها، رفتار تماسی پدید می آید.ویلسون1 و پرسون2 یک واشر سر سیلندر را با استفاده از روش اجزاء محدود تحلیل کردند .[1] چان3، طوبی[ 2] 4 و اهت[3] 5 روش ویلسون و پرسون را توسعه داده و از این روش بهینه شده برای حل دسته ای از مسائل تماسی بهره بردند. مدهوسودانا6 و فلتچر7 و به طور خلاصه روش حل و معادلات وابسته به تماس حرارتی را معرفی کردند .[4]میجار8 و آرورا9 و مسائل فیزیکی را در زمینه مکانیزم تماسی بررسی نمودند .[5]
چیوان[6] 10 و یونگ[ 7] 11 با ایجاد مدلی از ساختار سیلندر و موتور خودرو، با استفاده از روش اجزاء محدود و ایجاد بارگذاری ها و شرایط مرزی مختلف، تنش و کرنش های حرارتی و همچنین انتقال حرارت در موتور را بررسی کردند. از دیدگاه مسائل تماسی، هدایت حرارتی بین بدنه موتور و اجزای دیگر به طور گسترده توسط تحلیل اجزاء محدود مورد بررسی قرار گرفته است 8] و.[9 هدف از انجام این تحقیق، شبیه سازی تنش های حرارتی و مکانیکی واشر سر سیلندر خورو پراید است. به دلیل تولید فراوان این خورو در داخل کشور، مطالعه و تحلیل دقیق قطعات مختلف این خودرو از جمله واشر سر سیلندر، ضروری به نظر می رسد.
معادلات انتقال حرارت
عمده تنش های ایجاد شده در بدنه موتور، تنش های حرارتی می باشد. عموما تحلیل انتقال حرارت در بحرانی ترین شرایط عملکرد موتور - حالتی که بیشترین درجه حرارت در بدنه موتور ایجاد می شود - یعنی بار کامل و قدرت ماکزیمم انجام می شود 8]و.[9 معادله حرارت طبق اصل پایستگی انرژی عبارت است از:
شرایط مرزی
شرایط مرزی حرارتی شامل شرط مرزی جابجایی از طرف محفظه احتراق، گذرگاه عبور آب به عنوان مایع خنک کن، گذرگاه روغن و دمای اولیه واشر است. شرایط مرزی استفاده شده در این تحقیق که از آزمایشهای صنعتی و آنالیز خودروی پراید در حالت بار کامل - دور موتور - 4000rpm، فشار حداکثر سیلندرها 4 مگاپاسکال و حداکثر دمای گازهای حاصل از احتراق 2500 کلوین به دست آمده اند، عبارتند از :[10]
دمای 82 برای آب خنک کن با ضریب جابجایی14000،
دمای 30 برای هوای اطراف موتور با ضریب جابجایی 25،
دمای 80 برای روغن با ضریب جابجایی600، دمای 75
در سطح فوقانی بلوک در تماس با سرسیلندر. همچنین مشخصات فنی موتور پراید مطابق جدول 1 می باشد .[11]
محاسبه ی ضریب جابجایی گازهای درون سیلندر
برای این منظور مدل نیمه تجربی وشنی1 استفاده می گردد :[11]
B قطر سیلندر، P فشار گازهای درون سیلندر، u سرعت پیستون و T دمای گازهای درون سیلندر است. سرعت پیستون نیز از رابطه ی زیر به دست می آید :[11]
که در آن = سرعت متوسط پیستون، فشار موتورینگ، حجم جابجایی پیستون، ، , به ترتیب فشار، حجم و دما در یک حالت مرجع - بسته شدن سوپاپ ورودی یا آغاز احتراق - هستند. هم چنین ضرایب وعبارتند از :[11]
شکل 1، نمودارهای فشار-حجم - P-v - و دما-آنتروپی - T-s - سیکل اتو که اساس کار موتورهای احتراق داخلی است را نشان می دهد .[13] حجم نقاط مرگ پائین2 و مرگ بالا 3 نیز به صورت کیفی بر روی شکل مشخص شده است. عمده حجم سیلندر قبل از احتراق را هوا تشکیل می دهد، بنابرین محاسبات بر اساس هوا انجام می گردد. جهت ساده تر شدن مسئله، هوا گاز ایده آل در نظر گرفته می شود.برای محاسبه ی ضریب جابجایی گازهای حاصل از احتراق از رابطه ی وشنی - رابطه - 2، دو حالت وجود دارد :[11]
1.بسته شدن سوپاپ ورودی
2.آغاز احتراق در این تحقیق حالت اول، یعنی حالتی که سوپاپهای ورودی بسته می شوند، در نظر گرفته می شود. با استفاده از جدول 1 و با در نظر گرفتن ثابت هوا - k - برابر با 1/4 در شرایط استاندارد - دمای 25 درجه ی سانتی گراد و فشار 1 اتمسفر - و با توجه به سیکل اتو در شکل 1، پارامترهای رابطه 1 به دست آمده و در نهایت ضریب جابجایی گازهای درون سیلندر 1112 محاسبه می گردد. در این مطالعه تنش کششی ایجاد شده در پیچ ها 150 مگاپاسکال در نظر گرفته می شود 10 .[13]
عدد پیچ M12 سرسیلندر را به بلوک موتور متصل می کنند. با ضرب تنش کششی 150 مگاپاسکالی در مساحت سطح مقطع هر پیچ، نیرویی که در هر پیچ پدید می آید 17 kN محاسبه می گردد. با ضرب این نیرو در تعداد پیچ ها و سپس تقسیم عدد به دست آمده بر مساحت واشر سرسیلندر، کل فشاری که بر روی واشر سرسیلندر قرار دارد، 6 مگاپاسکال تخمین زده می شود.هم چنین جدول 2 خواص الاستیک واشر سر سیلندر خودرو پراید - فولاد با کربن بالای 0/3درصد - را نشان می دهد. علاوه بر این،چگالی7850، ضریب هدایت حرارتی 53/7 و گرمای ویژه 0/49 در نظر گرفته می شود .[14]
شبیه سازی اجزاء محدود
برای مقایسه و یکسان سازی تحلیل نتایج در کلیه مراحل یک نقطه - یک گره - بر روی ضخامت داخلی واشر، مطابق شکل 2 در نظر گرفته می شود. شبیه سازی ها با اندازه المان 1 میلیمتر انجام گرفته، اعداد و اطلاعات حاصله به عنوان مرجع در نظر گرفته شده و اثر تغییر بعضی پارامتر ها نسبت به این حالت بررسی می گردد . در این تحقیق برای ساده سازی، واشر تک لایه با ضخامت یکسان در همه قسمت ها و بارگذاری شبه استاتیکی با مقدار یکنواخت در تمام سطوح در نظر گرفته شده است. ضمنا بارگذاری های حرارتی جابجایی فقط در نواحی عبور آب، روغن و مکان حضور گازها در نظر گرفته شده و از انتقال حرارت بلوک و سر سیلندر صرفنظر می گردد.
شکل 2 کانتور تنش میزز را در نقاط مختلف واشر نشان می دهند. مطابق شکل تنش ماکزیمم در گره مورد نظر به میزان 5/95 مگاپاسکال و دما 86/44 درجه ی سانتی گراد به دست آمده است. در شکل 2 نقاط آب بندی واشر سرسیلندر به خوبی مشاهده می گردد. نقاطی که تنش بیشتری دارند، به آب بندی بیشتری نیاز دارند. شکل 3 کانتور دمایی را در نقاط مختلف واشر نشان می دهد. همانطور که شکل 3 نیز بیان می کند، تغییرات محسوس برای دما، تنها در محل هایی که گازهای حاصل از احتراق عبور می کنند مشاهده می گردد. به دلیل اختلاف دمای اندک آب و روغن با قطعه و کوچک بودن محل عبور آن ها، تغییرات دما در این نقاط و در نتیجه شار حرارتی بسیار اندک است. شکل 4 و 5 به ترتیب تغییرات انرژی جنبشی و درونی را برحسب میلی ژول با زمان نشان می دهند.
همانگونه که در شکل های 4 و 5 مشاهده می گردد، با قرار دادن فشار بر روی قطعه، ابتدا انرژی جنبشی زیاد شده و سپس به صورت آنی افت کرده و به مقدار ثابتی می رسد. بر عکس انرژی جنبشی، انرژی درونی به صورت آنی بالا رفته و تا انتها ثابت می ماند. نسبت انرژی جنبشی به درونی باید کمتر از 5 درصد باشد تا حلی پایدار و همگرا با نموهای کوچک و مناسب ایجاد گردد. نسبت ماکزیمم انرژی جنبشی به درونی به صورت زیر محاسبه می گردد:
شکل های 6 و 7 به ترتیب تغییرات تنش - مگاپاسکال - و دما - درجه ی سانتی گراد - بر حسب زمان - ثانیه - را در گره مورد نظر نشان می دهند. همانطور که مشاهده می گردد، در ابتدا با قرار دادن فشار بر روی قطعه تنش میزز زیاد گردیده و به صورت نوسانی تغییر می کند، اما با گذشت زمان به علت همگرا شدن جواب ها به مقدار ثابتی می رسد. تغییرات دما بر حسب زمان با توجه به شکل 7 به صورت سهمی می باشد.
