بخشی از مقاله
چکیده
تسمه زمانبندی، یکی از قطعات مهم در عملکرد مناسب موتورهای درونسوز به حساب میآید که ضمن انتقال توان، وظیفه هماهنگ سازی چرخش میل لنگ با میل بادامک - ها - را بر عهده دارد. این هماهنگی، باز و بسته شدن سوپاپها در زمان مناسب را تامین میکند. نوسانات تسمه زمانبندی باعث کاهش عمر تسمه،ایجاد صدا و نوسان در سرعت میل بادامک - ها - میشود. نوسان سرعت در میل بادامک - ها - ، بر زمان بازو بسته شدن سوپاپها و درنتیجه بر ورود هوا و خروج دود اثر میگذارد که این امر میتواند باعث کاهش عملکرد موتور شود.
رفتار این سامانه در موتورها که بصورت دینامیکی است، بسیار وابسته به نحوه طراحی پارامترهای مختلف از جمله نوع تسمه زمانبندی، مشخصات تسمه سفتکن، پارامترهای موتوری و اصطکاک قطعات است. این مطالعه به ارائه مدل عددی دینامیکی از این سامانه در موتور اشتعال جرقهای همراه دو میل بادامک با استفاده از نرم افزار AVL-Excite میپردازد که قابلیت بهینهسازی پارمترهای طراحی را بوجود میآورد. در ادامه جهت ارزیابی مدل، آزمون تجربی بر روی موتور در اتاق آزمون انجام گرفته است و مدل عددی با استفاده از نتایج تجربی صحه گذاری شده است. بر اساس نتایج این مدل قابلیت پیش بینی دور بحرانی تسمه را با خطای 3/1% دارا میباشد.
مقدمه
تسمه زمانبندی یکی از قطعات مهم در موتورهای درونسوزاست.که وظیفه انتقال توان از میل لنگ به میل بادامک - ها - را بر عهده دارد. این انتقال توان با نسبت سرعت مشخص 2:1 در موتورهای چهار زمانه و 1:1 در موتورهای دو زمانه انجام میپذیرد. همچنین ممکن است قطعات دیگری چون تلمبه آب، تلمبه روغن و میله تعادل، انرژی خود را از حرکت این تسمه تامین کنند. در بسیاری از موتورهای نوین، در مسیر حرکت تسمه، از تسمه سفتکن جهت اعمال نیروی اولیه مورد نیاز و کم کردن ارتعاشات حین کار، و از پولی هرزگرد جهت ایجاد زاویه تماس بیشتر تسمه و پولی استفاده میشود.
به دلیل حساسیت بالای تسمه زمانبندی، مشخصههای خاصی داشته باشد. ازدیدگاه جنس، تسمه زمانبندی از چهار بخش پشت تسمه، عضو کششی، دندانهها و روکش دندانهها تشکیل شده است. هرکدام از این قسمتها دارای جنس و وظیفهای هستند. نیروی اصلی را عضو کششی تحمل میکند و دندانهها تماس مناسب با پولی را برقرار میکنند و جنس آنها به گونهای انتخاب میشود تا در مقابل تنش برشی مقاوم باشد، از طرف دیگر بخش پشت تسمه، که با پولیهای بدون دندانه در تماس است، عضو کششی را از ساییدگی محافظت میکند و علاوه بر این مانع خوردگی آن و سبب مراقبت عضو کششی در مقابل دوده، روغن و رطوبت میگردد. در نهایت روکشی معمولا از جنس نایلون روی دندانهها قرار میگیرد تا ضمن کاهش اصطکاک، باعث دوام بیشتر دندانهها شود.
از نظر هندسی، برای تعیین هندسه تسمه کافی است نوع پروفیل دندانهها، گام دندانهها، تعداد آنها و پهنای تسمه مشخص شود. گام دندانهها نیز به طور معمول 8 میلیمتر یا 9/525 میلیمتر میباشند. شکل1 انواع پروفیلهای دندانه تسمههای زمانبندی مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی را نشان میدهد.
شکل :1 انواع پروفیل دندانه تسمههای زمانبندی به کار رفته در موتورهای خودرو
تسمه سفتکنها هم دسته بندیهای مختلفی از جمله تسمه سفتکنهای دستی، نیمه خودکار و خودکار دارند. تسمه سفتکنهای دستی، نیروی اولیه مورد نیاز تسمه را تامین میکنند ولی در مقابل تغییر شرایط از جمله تغییرات دما و اصطکاک نمیتوانند خود را سازگار کنند. در حالی که تسمه سفتکنهای نیمه خودکار این قابلیت را دارا هستند. اما موقعیت اولیه آنها و تنش اولیه باید توسط کاربر تنظیم شود. تسمه سفتکنهای خودکار بعد از نصب میتوانند خود را در موقعیت مناسب با توجه به نیروی اولیه مورد نیاز تسمه قرار دهند. برخی از تسمه سفتکنها داری بازوی هیدرولیکی جهت میرا کردن انرژی ناشی از ارتعاشات تسمه در نوسانات زیاد هستند.
برخی تسمه سفتکنها دارای یک دایره خارج از مرکز هستند و برخی دیگر دو دایره خارج از مرکز دارند. که دایره داخلی برای جبران تلرانسهای ساختی سیستم و دایره خارجی جهت تامین کشش دینامیکی تسمه استفاده میشود. برخی از تسمه سفتکنها تنها حرکت رفت و برگشتی دارند. سطح خارجی تسمه سفتکنها از پلی آمید یا فولاد است. که میتواند تخت و بدون لبه یا با لبههای راهنمای تسمه باشند
نوسانات تسمه به دو گروه عمده نوسانات در راستای حرکت تسمه و نوسانات جانبی آن تقسیم میشود. که هر یک بر دیگری اثر گذار است. این نوسانات بر عمر تسمه و عملکرد موتور تاثیر گذار است. نائوهیکو میزونو و همکاران او در شرکت تویوتا ژاپن، سرعت میل لنگ را یکنواخت فرض کرند.[4] در حالی که میل لنگ نیز دارای نوساناتی است که بر رفتار تسمه تاثیر فراوانی میگذارد.
درگیر شدن و آزاد شدن دندانهها نیز بر ارتعاشات تسمه تاثیر گذار است. یکی از راهکارهای پیشنهاد شده برای کم کردن اثرات این ارتعاشات، استفاده از دو تسمه زمانبندی درکنار هم اما با قرار گرفتن دندانههای هر تسمه در کنار دندانههای پولی تسمه دیگر است. این عمل باعث کاهش ارتعاشات و صدا تا 20 دسیبل میشود
کویاما و دیگر محققان در مطالعهای پیشنهاد دادند تا برای کاهش ارتعاشات و درنتیجه صدای تسمه از نیروی کشش متغیر و چگالی متغیر در تسمه استفاده شود که تسمه سفتکنهای نیمه خودکار و خودکار میتواند این امر را امکان پذیر نمایند. چیائو چن ارتعاشات تسمه زمانبندی با پروفیل دندانه ذورنقهای را با در نظر گرفتن تسمه زمانبندی به صورت یک رشته و بدون مدلسازی پولیها و دیگر مکانیزمها مورد بررسی قرار داد و متوجه شد مهمترین عامل تاثیر گذار بر مقدار فرکانس طبیعی تسمه، طولی است که طی آن تسمه با هیچ قطعهای در تماس نیست.
کاهش ارتعاشات تسمه و همچنین بررسی نوع و زمان خرابی احتمالی تسمه زمانبندی از آن جهت اهمیت دارد که درصورت اتفاق میتواند صدمات جدی را به موتور وارد کند. در صورت وجود خرابی در مجموعه تسمه زمانبندی، در اولین لحظه خرابی سوپاپها، پیستون، شاتون و سایر اجزای موتور اجتناب ناپذیر است و باعث افزایش هزینه و زمان میشود. در نتیجه سامانه زمانبندی میبایست در محدوده بهینهای طراحی شود. بعنوان نمونه در صورت کاهش نیرو کشش تسمه نوسانات تسمه زمانبندی افزایش خواهد یافت.
از طرفی اگر کشش تسمه بیش از اندازه باشد، ضمن افزایش ضریب اصطکاک باعث کاهش عمر خستگی تسمه خواهد شد. ضریب میرایی تسمه سفتکن هم از پارامترهای مهم بحساب میآید تا ارتعاشات بوجود آمده را در محدوده قابل قبولی جذب کند. ارائه یک مدل عددی دینامیکی صحه گذاری شده که بتواند قبل از فرایند طراحی و ساخت پیش بینی از رفتار صحیح سامانه ارائه دهد، کاربرد زیادی خواهد داشت. علاوه بر این میتوان با بهینهسازی پارمترهای طراحی، فرایند صحه گذاری نهایی قطعه را با خطا و تکرار کمتری به نتیجه رساند. در این مطالعه روش مدلسازی سامانه تسمه زمانبندی و روش صحه گذاری نتایج با آزمون تجربی ارائه خواهد شد.
روش تحقیق
در راستای بررسی رفتار دینامیکی سیستم زمانبندی، مدلسازی عددی و آزمون تجربی انجام پذیرفت. در این آزمون موتور از دور 1000 دور بر دقیقه تا سرعت 5000 دور بر دقیقه در 120 ثانیه، با دریچه گاز کامل حرکت میکند تا ارتعاشات تسمه در مجموعه تسمه زمانبندی اندازه گیری شود.
-1 معرفی موتور موتور مورد بررسی، یکی از پرکاربردترین موتورها در خودروهای سواری
داخل ایران است. جدول 1، مشخصات فنی این موتور را نشان میدهد.
جدول :1 مشخصات فنی موتور مورد مطالعه
در این موتور تسمه زمانبندی به غیر از دو میل بادامک دود و هوا؛ تلمبه آب، تسمه سفتکن و غلتک هرزگرد را نیز به حرکت در میآورد. که موقعیت هریک از این اعضا در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل :2 شماتیک موقعیت قرارگیری پولیهای رانده، تسمه سفتکن و پولی میل لنگ
تسمه سفتکن به کار رفته در موتور مورد مطالعه، از نوع نیمه خودکار با پولی از جنس پلیآمید است که اجزای آن در شکل 3 قابل مشاهده است.
شکل :3 ساختار تسمه سفتکن به کاررفته در موتور مورد مطالعه
